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Bei der IAV – die Abkürzung steht für Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr – arbeitet man seit 40 Jahren an der Mobilität der Zukunft und hat sich über diesen Zeitraum hinweg zu einem global führenden Engineering-Partner entwickelt – und dies auch in der Landwirtschaft. Ein Jahresumsatz von knapp einer Milliarde Euro unterstreicht, in welchem Umfang das Unternehmen seine herstellerübergreifenden Engineering-Leistungen erbringt – die Spanne reicht von lokalen Speziallösungen bis zu weltweiten Großserienprojekten. Die beiden Geschäftsführer des New Ideas Think Tank (NITT) – Dieter Dänzer und Ilja K. T. Führer – haben mit Dr. Tobias Töpfer – er ist Director Agricultural Systems bei IAV – einen Trecker Talk Podcast aufgezeichnet mit dem Prädikat „Hörenswert“ und in Folge dessen mehrere Deep Dives über verschiedene in dem Podcast angesprochene Projekte gemacht.

Deep Dive II:

Einsatz von Hochspannung in der Landtechnik – Absicherung einfacher als gedacht!

In diesem Beitrag geht es um das Thema Absicherung von Hochspannung in mobilen Arbeitsmaschinen. Neben Dr. Tobias Töpfer beantwortete Jens Liebold unsere Fragen. Letzterer ist als Produktmanager verantwortlich für die Testing-Produkte bei IAV.

NITT: Die Elektrifizierung ist in der Landtechnik schon lange ein Thema, vor allem seit die Hochspannungs-Technologie Einzug gehalten hat. Sehen Sie einen Trend in Richtung E-Antriebe?

Dr. Tobias Töpfer: Die Elektrifizierung ist definitiv ein Thema! Für einige landtechnische Anwendungen kann sie der Schlüssel für eine Defossilisierung sein. Um näher auf Ihre Frage einzugehen, würde ich gern zwischen zwei Einsatzgebieten unterscheiden: Fahr- und Nebenabtriebe sowie Prozessantriebe. Bei ersterem werden etablierte Antriebsformen, also in der Regel der Dieselmotor und gegebenenfalls das Getriebe durch elektrische Konzepte ersetzt. Bei Prozessantrieben werden mechanische oder hydraulische Antriebseinheiten zu Gunsten der E-Antriebe ausgetauscht. In diesem Fall kann aber der Hauptenergiewandler weiterhin verbrennungsmotorisch bleiben.

Bei der Elektrifizierung der Fahr- und Nebenabtriebe können als Energiespeicher batterieelektrische oder auch wasserstoffbasierte Konzepte zum Einsatz kommen. Beiden Konzepten gemein ist die im Vergleich zum Diesel geringe Energiedichte. Für Maschinen mit hohem Leistungsbedarf im spezifischen Einsatzfall ist also ein vergleichbarer Einsatz wie mit einem Diesel-Konzept aktuell schwierig zu realisieren.

NITT: Für kleinere Traktoren oder auch selbstfahrende Erntemaschinen sehen Sie die Elektrifizierung also als eine realisierbare Option?

Dr. Tobias Töpfer: Das kommt darauf an. Prinzipiell ergibt es schon Sinn, bei kleinen Traktoren zu beginnen. Ich denke, hier kann man grob die 100 kW-Schwelle als Grenze annehmen. Am Ende muss aber dem Kunden klar sein, dass der Einsatz der Maschine vor allem dort Sinn macht, wo der Leistungsbedarf zyklisch oder generell eher gering ist. Große Erntemaschinen fallen daher aus meiner Sicht derzeit erstmal raus.

Neben kleinen Traktoren sind aber auch Maschinen aus dem Bereich Agrarrobotik sehr spannend und haben ein großes Potenzial zur Elektrifizierung, Aktuell werden hier allerdings noch überwiegend Verbrennungsmotoren eingebaut, um die Anwendungen nicht zu komplex und zu teuer für den Markteinstieg zu machen. Ich bin mir sicher, dass sich dies in Zukunft ändert.

Generell sind die Kosten für E-Komponenten bei geringer Stückzahl und extremen Anforderungen ein wesentliches Hemmnis für die Elektrifizierung.

NITT: Was sind denn die grundsätzlichen Unterschiede hinsichtlich der Anwendung in der Landtechnik im Vergleich zum Einsatz in Autos oder Nutzfahrzeugen? 

Dr. Tobias Töpfer: Dies fängt – wie gerade schon erwähnt – bei den vergleichsweise geringen Stückzahlen an. Dann haben wir bei der Landmaschine ganz andere Anforderungen, die sich beispielsweise aus den Lastprofilen ableiten. Hier ist das Thema Nennleistungsanteil sicher sehr prägnant: Ein Pkw hat geringe Zeitanteile, in denen er die installierte Nennleistung abruft – beispielsweise bei starken Beschleunigungen. Bei Landmaschinen sind diese Volllastanteile deutlich ausgeprägter. Je nach Anbaugerät und Arbeitsaufgabe kann der Volllastanteil in einem Tageseinsatz auch schnell bei über 80 % liegen.

Die Prozessantriebe wiederum benötigen relativ hohe Antriebsmomente, weshalb zusätzliche Untersetzungsgetriebe notwendig werden. Ein weiterer wesentlicher Unterschied ist das Systemdesign: hier wären die Bauräume und die Anzahl der Abtriebe für Fahr- und Prozessantriebe zu nennen.

NITT: Wie sieht es denn mit der Validierung von E-Komponenten aus, sind da die zu bewältigenden Herausforderungen im Vergleich zum Pkw größer?

Jens Liebold: Für die Validierung von Hochvolt-Komponenten gelten grundsätzlich ähnliche Tests, wie etwa beim Pkw. Es gibt spezielle Anforderungen/Normen, wie ISO 21498 oder LV148 für 48-Volt-Komponenten, die so oder so ähnlich auch bei Landmaschinen anzuwenden sind. Die große Herausforderung hat Tobias schon genannt: Die Anforderungen an Eigensicherheit und Robustheit der Systeme sind jedoch viel höher.

NITT: Könnten Sie dies näher erläutern?

Jens Liebold: Die Umgebungsbedingungen, wie Schwingungen, Temperaturen, UV-Strahlung, Staub, Dreck und so weiter sind deutlich rauer als es die Normen bislang abbilden. Dazu kommt: Die Maschinen fahren sehr langsam. Es lässt sich in den meisten Fällen kein Fahrtwind zur Kühlung nutzen. Das muss alles berücksichtigt werden.

NITT: Und was ist mit der Hochspannung, was gilt es da zu beachten?

Jens Liebold: Fakt ist, dass wir es mit potenziell gefährlichen Spannungen zu tun haben. Das heißt, die Arbeitenden brauchen anderes Equipment und natürlich eine Zusatzqualifikation, wenn sie an den Landmaschinen arbeiten. Egal, ob auf dem Feld oder in der Werkstatt. Aber das gilt ja auch für alle Maschinen an einer Steckdose.

Anders sieht es schon beim Testing aus. Die wenigsten Labore, die so etwas können, haben oftmals keine Erfahrung mit spannungstragenden Teilen. Know-how und Qualifikation sind nicht vorhanden; Prüfstände fehlen oder sind auf Verbrenner spezialisiert.

Dr. Tobias Töpfer: Es muss doch möglich sein, bestehende Prüfstände dafür zu qualifizieren, oder? „Retrofitting“ sozusagen.

Jens Liebold: Natürlich, für genau solche Aufgaben haben wir IAV Auros entwickelt – ein kleiner, mobiler Prüfstand. In ihm ist alles verbaut, was man zum Testing von HV-Bauteilen braucht: Spannungsversorgung, Automatisierung, Sicherheitsüberwachung und so weiter. Wir nutzen es in der Regel für folgende Aufgaben:

  1. Als flexibles System zur Automatisierung unterschiedlicher Prüfaufgaben.
  2. Retrofitting von bestehenden Prüfständen, also beispielsweise auch als HV-Quelle.
  3. Oder als Basis für spezielle und flexibel einsetzbare Prüfcontainer nach dem Prinzip „Test Bench in the Box.“ „Testen, was du willst, wann du willst, wo du willst.“

NITT: Wie genau soll denn die Absicherung erfolgen?

Jens Liebold: Bei Hochvolt-Systemen im Verbund. Alle Komponenten hängen an derselben Batterie. Ein Ausfall einer Komponente kann das gesamte System lahmlegen. Das muss abgesichert werden!

Durch den Trend zur Modularisierung von Bauteilen und Baugruppen kommen viele verschiedene Zusammenschlüsse in Frage, die alle verifiziert werden müssen. Die sichere Funktionsweise ist aber immer vom jeweiligen Setup abhängig.

Effizient geht das nur mit einem vollautomatisierten Verbundprüfstand, wie IAV ihn entwickelt hat. Stationär an den Standorten Stollberg und Sindelfingen, aber auch mobil als „Test Bench in the Box“.

Wer sich detaillierter informieren möchte: der einfachste Weg geht über unsere Homepage www.iav.com/auros. Dort sind jede Menge Informationen wie Whitepaper und Veröffentlichungen zu genau diesen Themen zu finden.

Dieter Dänzer
Als langjähriger Chefredakteur und zuletzt Herausgeber hat er die diversen Social-Media-Kanäle mit auf Reichweite und Relevanz getrimmten Landtechnikinhalten gefüllt.

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