Hybridantrieb für mobile Arbeitsmaschinen

Im Jahr 2007 hat die Deutz AG rund 285.000 Dieselmotoren im Leistungsbereich von zirka 10 bis 500 kW gebaut und verkauft. Etwa 50 % dieser Motoren wurden in mobilen Arbeitsmaschinen eingesetzt. Als mobile Arbeitsmaschinen gelten hier alle Arten von Baumaschinen, Flur- und Förderzeugen sowie Flugfeldgeräte. Im Rahmen der Vorentwicklung untersucht Deutz alternative Konzepte und Lösungen für zukünftige Antriebe von mobilen Arbeitsmaschinen.

Hybridantrieb für mobile

Arbeitsmaschinen

T ITELTHEMA I COVER STORY

ATZoffhighway6

1 Einleitung

Eine zukünftige Reglementierung der CO2-Emission ist auch bei mobilen Ar-beitsmaschinen sehr wahrscheinlich. Die begrenzte Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen führt zwangsläufig zu stän-dig steigenden Kraftstoffpreisen und da-mit zu steigenden Betriebskosten für den Anwender, die Sensibilität der Endkun-den für den Kraftstoffverbrauchs nimmt stark zu. Die zukünftig geltende Abgasge-setzgebung wird zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Kosten und Bauraum durch Abgasnachbehandlungssysteme wie Par-tikelfilter und SCR verursachen. Bei Hy-bridantrieben als alternative Antriebs-konzepte für Pkw und Nfz wurden deut-liche Reduzierungen von Kraftstoffver-brauch und CO2-Emissionen bei gleich-zeitiger Verbesserung der Fahrzeugdyna-mik nachgewiesen. Diese Fakten motivie-ren zum Einsatz von Hybridantrieben in mobilen Arbeitsmaschinen.

Bei der Deutz AG sind sehr viele Last-kollektive aus den verschiedenen Anwen-dungen und Einsätzen der Deutz-Diesel-motoren in mobilen Arbeitsmaschinen verfügbar. Diese Lastkollektive wurden ursprünglich aufgenommen, um die Öl-wechselintervalle der Motoren in den vielfältigen Anwendungen abzusichern. Um Aufschluss darüber zu geben, welche Anwendungen für eine Hybridisierung des Antriebsstrangs geeignet sind, wurde diese Datenbasis mit einer von Deutz speziell dafür entwickelten Software analysiert.

Die Hauptkriterien für die Eignung zur Hybridisierung waren, dass Potenzial

zur Drehzahlabsenkung, zur Lastpunkt-verschiebung und zum Downsizing des Dieselmotors gegeben sein muss und dass der Motor häufig und über lange Zeiten im Leerlauf betrieben wird. Die ausführliche Analyse ergab, dass insbe-sondere die Anwendungen von Deutz-Dieselmotoren in Radladern, Gabelstap-lern, Teleskopladern, Baggern, Straßen-walzen und Flugfeldschleppern für eine Hybridisierung des Antriebsstrangs gut geeignet sind.

Bild 1 zeigt das Lastkollektiv eines Rad-laders. Dargestellt sind die Aufenthalts-dauern in den einzelnen Lastpunkten. Die Summe der Säulen beträgt 100 %. Deutlich wird, dass die Spitzenleistung nur für eine sehr kurze Dauer benötigt wird und dass der Radlader hauptsäch-lich bei mittleren Drehzahlen und nied-rigen Lasten betrieben wird. Das Poten-zial zur Drehzahlabsenkung und zur Verkleinerung des Dieselmotors ist klar ersichtlich, wenn die kurzen Leistungs-spitzen aus einem Hybridantrieb aufge-bracht werden können. Auffällig ist der hohe Leerlauf-Zeitanteil von 14 %. Durch eine Start-Stopp-Automatik können hier Kraftstoffverbrauch, Emission und Ge-räusch reduziert werden.

2 Das Hybridkonzept

Der Deutz-Hybridantrieb muss für viele Kunden und Anwendungen einsetzbar und für mehrere Deutz-Motorbaureihen geeignet sein. Die Schnittstelle zur Arbeits-maschine darf nicht verändert werden, das bedeutet, dass eine bauraumneutrale

Die Autoren I The Authors

Dipl.-Ing., Dipl.-Ing. Walter Burowist Leiter Entwicklung

Elektronik und alterna-

tive Antriebe bei der

Deutz AG in Köln.

Dipl.-Ing., Dipl.-Ing. Walter Burowis Head of Electronics

and Alternative Drives

at the Deutz AG in

Cologne (Germany).

Hybrid Drive for Mobile Machinery

In 2007 Deutz manufactured and sold

round about 285.000 diesel engines in

the power range from about 10 to 500

kW. Approximately 50 % of these engines

have been used in mobile machinery.

Here mobile machinery is considered as

all kind of construction, material han-

dling and airside equipments. In the con-

text of predevelopment Deutz analyses

alternative concepts and solutions for fu-

ture power trains of those mobile ma-

chinery.

1 Introduction

The main motivation factors are: A future

regimentation of CO2-emissions is also

for mobile machinery very probable. The

limited availability of fossil fuels leads to

continuingly rising fuel costs and there-

with to rising costs of operation. The sen-

sitivity of the customer for the vehicles

fuel consumption increases intensely.

Furthermore the in the future effective

exhaust legislation will cause effort re-

garding costs and installation space

through the need of exhaust treatment

systems like particulate filters and SCR

Dipl.-Ing. (FH) Marco Brunist Projektleiter und

Spezialist für System-

entwicklung von alter-

nativen Antrieben bei

der Deutz AG in Köln.

Dipl.-Ing. (FH) Marco Brunis Project Leader and

Specialist for System

Development of Alter-

native Drives at the

Deutz AG in Cologne

(Germany).

Dipl.-Ing. Kai Schoulenist Spezialist für elek-

trische Energiespeicher-

systeme und Leistungs-

elektronik bei der Deutz

AG in Köln.

Dipl.-Ing. Kai Schoulenis Specialist for Electric

Energy Storage Systems

and Power-Electronics

at the Deutz AG in

Cologne (Germany).

7 Sonderausgabe von ATZ I Special Edition ATZ I März I March 2009

Integration in den vorhandenen Antriebs-strang gewährleistet sein muss. Die oben genannten Geräte weisen einen hydrosta-tischen Antrieb auf, der Dieselmotor treibt direkt die Hydraulikpumpe an, es gibt kei-ne Trennkupplung und kein Getriebe. Der Deutz-Hybridantrieb muss integraler Be-standteil des Dieselmotors sein und sich in ein Gehäuse mit Standard SAE-4-Getrie-beanschluss integrieren lassen.

2.1 Integrierter Motor-GeneratorDie systematische Analyse der vielfäl-tigen, in Frage kommenden Hybridkon-zepte führte zur Auswahl eines integ-rierten Motor-Generators (IMG), eines so genannten „Mild Hybrid“. Hierbei wird eine E-Maschine in den Dieselmotor inte-griert. Der Rotor der E-Maschine ersetzt

das Schwungrad des Dieselmotors, der Stator der E-Maschine wird in das Schwungradgehäuse integriert. Bild 2, zeigt ein Schnittbild durch die E-Maschi-ne. Bild 3 zeigt einen Deutz-Dieselmotor der Baureihe TD2009 mit der integrierten E-Maschine auf dem Prüfstand.

2.2 E-MaschineEs wurde eine permanenterregte Syn-chronmaschine mit konzentrierten Ein-zelzahnwicklungen entwickelt. Mit die-sem E-Maschinenkonzept lassen sich sehr kompakte E-Maschinen mit hohem Wirkungsgrad darstellen. Der Standard 12V-/24V-Anlasser bleibt optional als Re-dundanz und für extremen Kaltstart er-halten. Die E-Maschine wird in den Kühl-kreislauf des Dieselmotors integriert. Es werden zwei Leistungsvarianten entwi-ckelt, Tabelle. Beide E-Maschinen lassen sich bei den Deutz-Motorbaureihen 2009, 2010 und 2012 in ein SAE-4-Schwungrad-gehäuse integrieren. Mechanisch ist Ma-schine 2 eine Längenvariante von Ma-schine 1, die aktive Länge wurde entspre-chend der Leistung bei ansonsten unver-ändertem Konzept und Abmessungen vergrößert. Diese Längenvariante ermög-licht ein kostenoptimales Herstellungs-konzept. Elektrisch wird Maschine 2 mit der doppelten Spannung zum Erzielen der doppelten Leistung betrieben. Diese Spannungsvariante ermöglicht ein Kos-

systems. Hybrid drives have shown in al-

ternative drive concepts for passenger

cars and commercial vehicles distinct re-

ductions of fuel consumption and CO2-

emissions, while at the same time im-

proving the vehicles dynamics. These

facts motivate the use of hybrid drives in

mobile machinery.

At Deutz a lot of load profiles are availa-

ble, coming from numerous different ap-

plications and installations of Deutz die-

sel engines in mobile machinery. These

profiles have mainly been recorded in

the context of necessary oil exchange in-

terval validations. To gain information

about which kind of applications are well

suited for a hybridisation, these data-

base has been analysed using an espe-

cially for this purpose at Deutz devel-

oped software.

During this analysis the main criteria for

suitability regarding a hybridisation have

been the occurrence of a potential to re-

duce the engine speed, to realize load

point shifting and to downsize the diesel

engine, as well as the fact that the engine

is often and over longer time periods just

idling. The detailed analysis showed, that

in particular the applications of Deutz

diesel engines in wheel loaders, forklifts,

telehandlers, excavators, rollers and air-

craft tugs are suitable for a hybridisation

of the power train.

Figure 1 shows a load profile of a wheel

loader. Displayed are the durations of stay

in the different load points. The sum of the

columns amounts to 100 %. It can be seen

that the peak power is only needed for a

very short period of time and that the

wheel loader is mainly used at average

speeds and low loads. The potential for

speed reduction and downsizing of the

diesel engine is obvious, as soon as the

load peaks can be applied by the hybrid

drive. Noticeable is the high portion of

idling time of 14 %. A start-stop automatic

can therefore reduce the fuel consump-

tion, emission and noise significantly.

2 Hybrid Concept

The Deutz Hybrid Drive has to be applica-

ble for many customers and applications,

as well as for different Deutz engine mod-

els. The interface to the mobile machin-

ery may not be changed. This means a

space neutral integration in the available

power train has to be guaranteed. The

Bild 1: Lastkollektiv eines RadladersFigure 1: Load profile of a wheel loader

Bild 2: Schnitt durch die E-Maschine Figure 2: Sectional dra-wing of the e-machine


ATZoffhighway8

tenoptimum hinsichtlich der notwen-digen Kupferquerschnitte und der benö-tigten Siliziumquerschnitte der Leis-tungshalbleiten in dem Umrichter. Darü-ber hinaus ist eine Skalierung der Batte-rieleistung bei gegebener Zellgröße durch die Reihenschaltung von Batterie-zellen zum Erzielen hoher Spannungen in aller Regel einfacher zu beherrschen als eine Parallelschaltung von Einzelzel-len zum Erreichen von hohen Strömen.

3 Funktionen des Deutz-Hybridsystem

Die Deutz AG wird nicht nur die in den Dieselmotor integrierte E-Maschine son-dern alle für ein Mild - Hybridsystem not-wendigen Komponenten wie Leistungs-umrichter, High-Power-Traktionsbatterie und Systemsteuergerät einschließlich anwendungsspezifischer Systemsoftware anbieten. Bild 4 zeigt die schematische Systemübersicht. Dieses System kann die folgenden Hauptfunktionen darstellen:

3.1 Start-StoppWenn der Dieselmotor betriebswarm ist, wenn keine Drehmomentanforderung vor-liegt und wenn die Batterie geladen ist,

wird der Dieselmotor via CAN- Bus vom Systemsteuergerät abgestellt. Sobald eine Startanforderung vorliegt, also wenn der Fahrhebel bedient, das Gaspedal getreten oder wenn das Lenkrad des Fahrzeugs ge-dreht wird, wird der Dieselmotor nahezu verzögerungsfrei von der integrierten E-Maschine gestartet. Der Start erfolgt natür-lich nur, wenn alle Sicherheitsanforde-rungen erfüllt sind, dass heißt unter ande-rem, dass der Fahrer auf dem Fahrersitz Platz genommen haben muss.

3.2 Power BoostDie Leistungsspitzen werden durch die E-Maschine abgedeckt, wobei die Leis-tung von der Batterie bereitgestellt wird.

3.3 RekuperationDie meisten mobilen Arbeitsmaschinen nutzen das Schleppmoment des Diesel-motors um das Fahrzeug abzubremsen. Die integrierte E-Maschine wird als Gene-rator betrieben und unterstützt den Bremsvorgang. Die so zurückgewonnene Energie wird in der Batterie gespeichert.

3.4 Downsizing / DownspeedingWeil das Hybridsystem die Spitzenlasten abdeckt, kann der Dieselmotor kleiner

above mentioned devices all feature a

hydrostatic drive train, i.e. the diesel en-

gine impels an hydraulic pump without

an intermediary clutch or gear. The Deutz

hybrid drive has to be an integral part of

the diesel engine, as well as to be capa-

ble of being integrated into a housing

with standard SAE-4 gearbox interface.

2.1 Integrated Motor Generator

A systematic analysis of the various pos-

sible hybrid concepts led to the selection

of an integrated motor generator (IMG),

a so called ‚mild hybrid‘. In this con-

cept an e-machine is integrated into a

diesel engine. The rotor of the e-ma-

chine replaces the flywheel, the stator

is integrated into the flywheel housing.

Figure 2 shows a sectional drawing of

the e-machine. Figure 3 shows a Deutz

diesel engine of the TD2009 series with

the integrated e-machine on a test bench.

2.2 E-machine

A permanent magnet synchronous ma-

chine with concentrated single tooth

windings has been developed. This e-ma-

chine concept allows for highly compact

e-machines with very high efficiency. The

standard 12V-/24V-starter stays optional

for redundancy and extreme cold crank-

ing. The e-machine is integrated into the

cooling circuit of the diesel engine. Two

power variants are under further devel-

opment, Table.

Both e-machines can be integrated into

SAE- 4 flywheel housings of the Deutz

diesel engines of the series 2009, 2010

and 2012. Mechanically seen machine 2 is

a length variant of machine 1. The active

length has been increased according to

the power rating, while the concept and

the other dimensions stayed unchanged.

This length variant permits a cost opti-

mized manufacturing concept.

Electrical seen machine 2 is operated

with double the voltage to gain double

the power in comparison to machine 1.

This voltage variant permits a cost opti-

mum regarding the necessary copper

cross sections as well as the needed sili-

con in the semiconductors. Furthermore

a scaling of the battery power at a given

cell size via the connection of cells in se-

ries to gain higher voltages is normally

easier to handle than a parallel connec-

tion of cells to gain higher currents.Bild 3: TD2009 mit E-Maschine auf dem PrüfstandFigure 3: TD2009 with e-machine on a test bench


ausgelegt werden und bei niedrigerer Drehzahl relativ konstant im verbrauch-soptimalen Kennfeldbereich betrieben werden. Bei Leistungsüberschuss des Dieselmotors kann die Batterie geladen werden.

3.5 Power BordnetzDas Hybridsystem stellt einen leistungs-fähigen Gleichspannungszwischenkreis als Power Bordnetz zum bedarfsorien-tierten und verbrauchsoptimierten Be-trieb von Nebenaggregaten wie Lüfter, Wasserpumpe, Ölpumpe, Luftkompres-sor, Klimakompressor, Lenkhilfspumpe und so weiter zur Verfügung. Darüber hinaus ist vorgesehen, aus diesem Power-Bordnetz eine 230VAC und eine 12VDC-Schnittstelle zu versorgen, Bild 5.

3.6 Hauptnutzen des Deutz-HybridsystemsDurch die Funktion Power-Boost ist der Einsatz eines kleineren Dieselmotors möglich (Downsizing). Der kleinere Die-selmotor kann hauptsächlich im Be-reich des günstigsten spezifischen Ver-brauchs betrieben werden. Dadurch und durch die Leerlaufabschaltung las-sen sich Kraftstoffeinsparungen von zir-ka 20 % realisieren.

Ein kleinerer Dieselmotor kommt in aller Regel mit einem kleineren und ein-facheren Abgasnachbehandlungssystem aus. Dadurch lassen sich weitere Kosten-einsparungen darstellen. Wenn es schließlich gelingt, den Dieselmotor un-ter 37 kW zu verkleinern und die feh-lende Spitzenleistung durch das Hybrid-

3 Deutz Hybrid System

Deutz AG will not only offer the e-ma-

chine integrated into the diesel engine

but all for a mild hybrid necessary com-

ponents like an inverter, an high-power

traction battery and a system control unit

including application specific system

software. Figure 4 shows a schematic

system overview. This system constitutes

of the following main functions:

3.1 Start-Stop

If the diesel engine is at operating state

temperature, if no torque request is active

and if the battery is charged, the diesel en-

gine will be automatically turned off via

CAN-Bus by the system control unit. As

soon as a start request is send, i.e. the con-

trol lever is used, the accelerator pedal is

operated or the steering wheel of the vehi-

cle is turned, the diesel engine will be re-

started by the integrated e-machine almost

without a delay. The start takes only place if

all safety requirements are fulfilled, e.g.

the drive sits on the driver seat.

3.2 Power Boost

The power peaks are covered by the e-

machine, while the needed power is pro-

vided by the battery.

3.3 Recuperation

Most mobile machinery use the drag

torque of the diesel engine to brake the

vehicle. The integrated e-machine is used

as a generator and supports the brake

process. The recuperated energy is stored

in the traction battery.

3.4 Downsizing / Downspeeding

Because the hybrid system covers the

peak loads, the diesel engine can be

downsized and be operated relatively

constant at low speeds in the consump-

tion optimal engine-map range. At power

excess the diesel engine can be charged.

3.5 Power Grid

The hybrid system provides an efficient

DC-link as power grid for a demand-ori-

ented and consumption optimal opera-

tion of auxiliary equipment like fans, wa-

ter pumps, oil pumps, air compressors,

climate compressors, steering auxiliary

pumps et cetera. Furthermore it is envis-

aged to supply a 230VAC and 12VDC in-

terface, Figure 5.

Tabelle: Leistungsvarianten des Deutz-IMGTable: Power variants of the Deutz IMG

Machine 1: Machine 2:

Nominal voltage 300 VDC 600 VDC

Nominal power 15 kW 30 kW

Nominal torque 100 Nm 200 Nm

Nominal speed 1500/min 1500/min

Peak power 30 kW 60 kW

Peak torque 200 Nm 400 Nm

Cold cranking torque 300 Nm 600 Nm

Bild 4: Systemübersicht Deutz-HybridsystemFigure 4: System overview Deutz hybrid system


ATZoffhighway10

system beizusteuern ist ab 2013 in Euro-pa kein Partikelfilter und kein SCR-Kata-lysator notwendig. Gelingt es, den Die-selmotor unter 56 kW zu bringen, ist ab 2014 in Europa und in den USA nur ein Partikelfilter aber kein SCR-Katalysator notwendig.

Zusätzlich zu den Einsparungen bei der Abgasnachbehandlung und dem Kraftstoffverbrauch lässt sich durch das Hybridsystem eine Steigerung der Arbeitsleistung durch bessere System-dynamik beim Beschleunigen und beim Bremsen erzielen. Durch die ver-zögerungsfreie Reaktion der E-Maschi-ne wird das Turboloch wirkungsvoll überbrückt und das Schleppmoment des Dieselmotors im Bremsbetrieb we-sentlich erhöht.

4 High-Power-Traktionsbatterie

Kernstück aller elektrischen Hybridan-triebe ist der elektrische Energiespeicher. Die Deutz AG untersucht verschiedene Speichertechnologien.

3.6 Main Benefit of the

Deutz Hybrid System

The function Power Boost allows the use

of a smaller diesel engine (downsizing).

This smaller engine can mainly be oper-

ated in the range of low specific con-

sumption. Thereby and through the shut-

down during idling consumption reduc-

tions of about 20 % can be realized.

A smaller diesel engine does normally

cope with a smaller and easier exhaust

treatment system. Thus further cost re-

ductions are possible.

If one finally succeeds to downsize the

diesel engine below 37 kW and to deliver

the peak power through the hybrid sys-

tem, from 2013 no particulate filter and

no SCR-catalyst will be necessary. If

downsizing of the diesel engine below 56

kW is possible, from 2014 in Europe and

the USA only a particulate filter but no

SCR-catalyst will be necessary. Addition-

ally to the cost reduction via the exhaust

treatment and fuel consumption an in-

crease of performance can be achieved

by the hybrid system through improved

system dynamic at acceleration and

breaking. Furthermore through a delay

free reaction of the e-machine the turbo

lag can be bypassed and the drag torque

of the engine considerably increased.

4 High Power Traction Battery

The core of all electrical hybrid drives is

an electrical energy storage system.

Deutz AG therefore analyses different

storage technologies.

4.1 Bipolar Lead-acid Battery

This technology, Figure 6, is inexpensive

and robust. The effort of monitoring the

voltages, currents and the state of charge

is comparatively low. The power perform-

ance, the volumetric power density and

the cycle stability of the bipolar lead-acid

battery is sufficient for many applications

of Deutz hybrid drives. The high weight of

the bipolar lead-acid battery is no disad-

vantage in mobile machinery. The re-

quirements regarding temperature con-

ditioning are moderate. An air cooling

should be sufficient, a heating of the bat-

tery at low temperatures is not neces-

sary, because the lead-acid battery shows

in comparison to lithium-ion and nickel-

metalhydrid batteries the best character-

istics under these operation conditions. Bild 7: Lithium-Ionen-Batterie, 390 V, 1,8 kWhFigure 7: Lithium-ion battery, 390 V, 1,8 kWh

Bild 5: Power-BordnetzFigure 5: Power grid

Bild 6: Bipolare Bleibatterie, 300V, 1,8kWhFigure 6: Bipolar lead-acid battery, 300V, 1,8kWh


4.1 Bipolare BleibatterieDiese Technologie, Bild 6, ist preiswert und robust. Der Aufwand zur Überwa-chung der Spannungen, der Ströme und

des Ladezustands ist vergleichsweise ge-ring. Die Leistungsfähigkeit, die auf das Volumen bezogene Leistungsdichte und die Zyklenfähigkeit der bipolaren Bleibat-

terie ist für viele Anwendungen von Deutz-Hybridantrieben ausreichend. Das hohe Gewicht der bipolaren Bleibatterie ist bei mobilen Arbeitsmaschinen kein Nachteil. Die Anforderungen an die Tem-peraturkonditionierung sind moderat. Eine Luftkühlung sollte ausreichen, eine Erwärmung der Batterie bei niedrigen Außentemperaturen ist nicht notwen-dig, da die Bleitechnologie unter diesen Betriebsbedingungen im Vergleich mit Lithium-Ionen-Batterien und Nickel-Me-tallhydrid-Batterien die besten Eigen-schaften vorweist.

4.2 Lithium-Ionen-BatterieDiese Technologie, Bild 7, ist sehr teuer aber sehr leistungsfähig. Der Aufwand zur Messung und Überwachung der Be-triebsparameter ist sehr hoch. Jede Zelle der Batterie muss hinsichtlich Spannung, Ladung und Temperatur überwacht und geregelt werden. Die Leistungsfähigkeit, die auf das Volumen bezogene Leistungs-dichte und die Zyklenfähigkeit sind im Vergleich zu allen anderen Technologien überragend. Die Anforderungen an die Temperaturkonditionierung sind sehr hoch, die Batterie muss bei niedrigen Temperaturen erwärmt und bei hohen Temperaturen gekühlt werden. In aller Regel ist ein Anschluss an die Klimaanla-ge des Fahrzeugs zum Ausschöpfen der vollen Leistungsfähigkeit dieser Batterien notwendig. Diese Technologie soll dann zum Einsatz kommen, wenn die Anforde-rungen an die Zyklenfestigkeit und/oder die Leistungsdichte es zwingend erforder-lich machen.

5 Realisation

Der Deutz-Hybridantrieb wurde in ei-nen Radlader von Atlas Weyhausen ein-

4.2 Lithium-ion Battery

This technology, Figure 7, is very ex-

pensive but very powerful. The effort

regarding measurement and monitor-

ing of the battery parameters is very

high. Each cell of the battery pack has

to be monitored regarding voltage,

state of charge and temperature. The

power capability, the volumetric power

density and the cycle stability are out-

standing in comparison to all other

technologies. The requirements for tem-

perature conditioning are very high.

The battery has to be heated at low

temperatures and cooled at higher tem-

peratures. Normally a connection to the

air-conditioning system of the vehicle is

necessary to use the full power capabil-

ity of these kind of batteries. This tech-

nology should be used whenever the

requirements of cycle stability and / or

power density make it imperative.

5 Realisation

The Deutz hybrid drive has been assem-

bled into a wheel loader from Atlas-Wey-

hausen. Figure 8 shows the system over-

Bild 9: Radlader von Atlas-Weyhausen mit Deutz-HybridantriebFigure 9: Atlas-Weyhausen wheel loader with Deutz hybrid drive

Bild 8: Systemübersicht RadladerFigure 8: System overview of the wheel loader


ATZoffhighway12

gebaut. Bild 8 zeigt die Systemübersicht des Radladers und Bild 9 zeigt den Hyb-rid-Radlader.

Der Vierzylindermotor wurde gegen einen Dreizylindermotor getauscht, die Spitzenleistung wurde auf 36,9 kW redu-ziert, die Maximaldrehzahl auf 2100/min begrenzt. Softwareseitig wurden die oben beschriebenen Hauptfunktionen Power Boost, Start-Stopp und Rekuperati-on installiert und appliziert. Die Hydrau-lik des Radladers wurde zu diesem Zeit-punkt noch nicht verändert.

Nach der Integration und der Kalib-rierung des Systems in den Radlader wurden verschiedene Tests und auch ein direkter Vergleichstest mit einem origi-nalen Standard-Radlader AR65 Super Tier III mit 51,5 kW-Dieselmotor und dem Hybrid-Radlader AR65 Hybrid Tier

III, 36,9 kW Dieselmotor + 15 kW-E-Ma-schine durchgeführt.

Bild 10 zeigt die Systemfunktion des Hybrid-Radladers im Y-Zyklus. Dieses be-deutet: Der Radlader fährt vorwärts in das Haufwerk, belädt die Schaufel, rever-siert, fährt zur Abladestelle, leert die Schaufel, reversiert und steht dann wie-der in seiner Ausgangsposition.

Es ist deutlich zu erkennen, wie die E-Maschine den Dieselmotor unterstützt wenn dieser die Drehmomentbegren-zung erreicht hat. Weiter wird ersicht-lich, dass die Systemsteuerung detek-tiert, wenn der Dieselmotor nicht voll ausgelastet ist und daraufhin der Dreh-momentüberschuss genutzt wird, um die Batterie zu laden.

Bild 11 zeigt die Beschleunigung und das Abbremsen des Radladers. Auch hier ist klar sichtbar, wie das Hybridsystem durch die Boost-Funktion den Dieselmo-tor beim Beschleunigen und durch die Rekuperations-Funktion das Fahrzeug beim Bremsen unterstützt.

Bild 11: Boost- und RekuperationsfunktionFigure 11: Boost- and recuperation function

Bild 10: Y-ZyklusFigure 10: Y-cycle


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In einem Vergleich wurden der Hyb-rid-Radlader einem Standard-Radlader im Y-Zyklus und bei der Straßenfahrt ge-genübergestellt, siehe Bild 12. Bei allen

Tests wurden die Fahrer systematisch ge-tauscht. Es war bereits in dieser Proto-typenphase eine deutliche Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs messbar, wobei

der Zielwert von 20 % noch nicht erreicht wurde. Ursache war, dass das Hydraulik-system des Radladers zu diesem Zeit-punkt noch nicht auf das Hybridsystem angepasst und optimiert war. Das Fahr-verhalten und insbesondere die Start-Stopp-Funktion wurde von allen Fahrern und potenziellen Endkunden sehr posi-tiv bewertet.

6 Zusammenfassung

Die Deutz AG hat gezeigt, dass Hybrid-systeme bei mobilen Arbeitsmaschine sehr sinnvoll einsetzbar sind. Allerdings ist auch sehr deutlich geworden, dass die Anforderungen an alle Komponen-ten im Hinblick auf die Dynamik und die Zyklenfähigkeit aber auch an die Ro-bustheit in den meisten Anwendungen deutlich höher sind als zum Beispiel bei Pkw. Angesichts der positiven Ergeb-nisse und der überwiegenden Vorteile hat sich die Deutz AG entschieden, dieses System zur Serienreife zu entwi-ckeln und als Serienprodukt für die Deutz-Motorbaureihen 2009 und 2010 anzubieten.

Bild 12: Vergleichstest Radlader, vorne der Radlader mit HybridantriebFigure 12: Benchmark test wheel loader, in front wheel loader with hybrid-drive

view of the wheel loader and Figure 9 the

hybrid wheel loader itself.

The four-cylinder engine was exchanged

with a three-cylinder engine, peak power

was reduced to 36,9 kW, maximum speed

was limited to 2100/min. On the part of

the software the above described main

functions power boost, start-stop and re-

cuperation were installed and applied.

The hydraulics of the wheel loader had

not yet been changed at this point of

time.

After the integration of the system into

the wheel loader and its calibration, dif-

ferent tests including a direct benchmark

test between an original standard wheel

loader AR65 Super Tier III, 51.5 kW diesel

engine, and the hybrid wheel loader

AR65 Hybrid Tier III, 36.9 kW diesel en-

gine + 15 kW e-machine, were carried

out.

Figure 10 shows the system functionality

of the hybrid wheel loader during a Y-cy-

cle. This means: The wheel loader drives

forward into the material, loads the buck-

et, reverses, drives back to the unloading

point, unloads the bucket, reverses and

the cycle starts anew. Figure 10 shows

very clearly how the e-machine supports

the diesel engine whenever the engine

reaches the torque limitation. Further-

more it becomes apparent, that the sys-

tem control detects if the diesel is not

fully loaded and thereupon the torque

excess is used to charge the battery.

Figure 11 shows the acceleration and

braking performance of the wheel loader.

It illustrates how the hybrid system sup-

ports the diesel engine by the boost func-

tion during acceleration and how it sup-

ports braking by the recuperation func-

tion.

In further benchmark tests the hybrid

wheel loader and the standard wheel

loader were compared in the Y-cycle und

during road driving, see Figure 12. Dur-

ing all these test the drivers were ex-

changed systematically to avoid an influ-

ence of driving behaviour. Already in this

prototype phase a very distinct reduction

of fuel consumption could be measured,

whereas the goal of 20% had not been

accomplished fully yet. The cause was,

that the hydraulic system of the wheel

loader had not been adapted and opti-

mized for the hybrid system at this point

of time. The driving behaviour and in par-

ticular the start-stop function were

judged by all drivers and by the potential

customers as very positive.

6 Conclusion

Deutz has shown, that hybrid systems

can very sensible be applied in mobile

machinery. However it also became clear,

that the requirements for all components

in terms of dynamic and cycle stability as

well as robustness are in most of the ap-

plications considerable higher than for

passenger cars. Given the positive re-

sults and prevailing advantages Deutz

decided to develop this system for series

production and to offer it as a series

product for the engine models 2009 and

2010.


ATZoffhighway14

Documents

Hybridantrieb für mobile Arbeitsmaschinen