SKAI Multi-Converter-System

  -  Fallstudie



Hochintegriertes Leistungselektronik-System für Traktoren mit niedrigem Kraftstoffverbrauch und geringen Schadstoffemissionen


Ein Traktorhersteller führt bei seiner Premium-Baureihe der obersten Leistungsklasse ein elektrisches Leistungsnetz ein mit dem Ziel, Kraftstoffverbrauch und Geräuschemissionen zu senken. Zusätzlich wird damit die technologische Architektur für weitere Anwendungen elektrischer Antriebe in Landmaschinen geschaffen. Herzstück des elektrischen Leistungsnetzes ist ein hoch integriertes Multi-Converter-System von SEMIKRON.

Herausforderung / Motivation

Bislang wurden im Traktor Nebenaggregate mechanisch über Getriebe an den Hauptantrieb gekoppelt. Mit der mechanischen Kopplung können diese Funktionen nicht im optimalen Betriebspunkt betrieben werden. Dies führt zu schlechten Wirkungsgraden und damit verbunden zu höherem Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen. Ziel ist es, die Nebenaggregate vom Hauptantrieb zu entkoppeln, indem ein an den Hauptantrieb gekoppelter und angepasster Generator elektrische Energie erzeugt. Diese Energie soll elektrisch umgeformt und damit Lüfter, Luftkompressor, Klimaanlage und das 14 V-Bordnetz optimal betrieben werden.

Folgende Ziele wurden auf Systemebene verfolgt:
  • Reduzierter Kraftstoffverbrauch, weniger Schadstoffemissionen
  • Höhere Leistung des Hauptantriebs durch optimierte Kühlung des Dieselmotors
  • Höhere verfügbare Leistung im 14 V-Bordnetz
  • Vorbereitung von Traktoren auf zukünftige elektrische Ausrüstungen
  • Höherer Systemwirkungsgrad, weniger Kraftstoffverbrauch
  • Optimierte Systemregelung und Systemeigenschaften
  • Neue Funktionalität, z.B. 230 V-Steckdose
 

Lösung

Ein hoch integriertes Leistungselektronik System aus der SEMIKRON Multi-Converter-System-Familie wurde nach Kundenspezifikation entwickelt. Das System besteht aus mehreren Umrichtern zur Steuerung des elektrischen Leistungsflusses unter härtesten Umgebungsbedingungen. Verschiedene Betriebsmodi sind möglich, z.B. kann das System durch einen Drehstromgenerator oder über einen HVDC Bus mit elektrischer Energie versorgt werden. Das System ist in einem wassergekühlten Gehäuse der Schutzklasse IP67 untergebracht und kommuniziert mit der zentralen Fahrzeugsteuerung über CAN-Bus. Die integrierten Halbleiterkomponenten stammen aus der bewährten MiniSKiiP Familie der 2. Generation. Die Signalschnittstelle umfasst analoge und digitale Ein- und Ausgänge zum Anschluss verschiedenster Sensoren wie z.B. Temperatursensoren und Resolver-Eingänge.

Das Multi-Converter-System verfügt über insgesamt vier Leistungsumrichter:
  • Umrichter I: 3-Phasen 40 kVA Active-Front-End-Umrichter
  • Inverter II: 3-Phasen 20 kVA Antriebsinverter
  • Inverter III: 3-Phasen 10 kVA Antriebsinverter
  • DC/DC-Wandler: 14 V/ 300 A bzw. 28 V/ 165 A
 

Ergebnisse

Ein direkt an die Kurbelwelle geflanschter Generator produziert bei einer Motordrehzahl von 1800 U/min bereits bis zu 20 kW elektrische Leistung. Diese wird im Multi-Converter-System zum Antrieb des Lüfters, des Luftkompressors und der Klimaanlage umgeformt. Aus dem Leistungsnetz wird über einen DC/DC Wandler auch das 14 Volt-Bordnetz versorgt, dessen Leistung um fast 50% gesteigert wird. Bei stehendem Fahrzeug können über eine Steckdose Elektrogeräte mit 230 Volt, bzw. über eine Drehstromsteckdose mit 230/400 V (5 kW) betrieben werden. Diese ersetzen häufig den mobilen Stromgenerator. Der elektrisch angetriebene Luftkompressor sorgt auch bei niedriger Motordrehzahl für einen schnellen Druckanstieg, analog verhält sich die Klimaanlage. Die Lüfterdrehzahl lässt sich sehr genau an den Kühlleistungsbedarf anpassen und zur Kühlerreinigung einfach umkehren. Die von der Motordrehzahl abhängige Lüfterdrehzahl trägt dazu bei, dass der Verbrennungsmotor schon bei 1250 U/min Boostleistung aufbaut und gegenüber dem konventionellen Modell bei 1600 U/min ein erhöhtes Drehmoment anbieten kann. Die maximale Boostleistung ist ebenfalls höher. Der elektrische Antrieb der Nebenaggregate verbessert deren Wirkungsgrade deutlich, was zur Kraftstoffeinsparung beiträgt.

Mit dem neuen elektrischen Leistungssystem wurde der Grundstein für die Einführung hochpräziser, effizienter elektrischer Antriebe an Anbau- und Anhängegeräten sowie im Fahrantrieb gelegt. Die Kombination verschiedener technologischer Highlights führt in der Summe zu deutlich reduzierten Kraftstoffverbrauchswerten bei gleichzeitiger Erfüllung zukünftiger Abgaswerte und Senkung der Geräuschemissionen. Alle Komponenten der Leistungsübertragung wurden mit dem Ziel einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades entwickelt bzw. optimiert. In der Summe ein Meilenstein auf dem Weg zu niedrigsten Verbrauchswerten in der bezüglich des Verbrauchs besonders sensiblen obersten Leistungsklasse.
 

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