Hybridisierung und Brennstoffzelle für den Off-Highway-Antrieb

Nicht nur die Zukunft des Autos, auch die der Off-Highway-Anwendungen könnte elektrisch sein. Damit können Emissionsgrenzen erreicht werden und gleichzeitig reduziert beispielsweise eine elektrisch angetriebene Maschine den Lärm auf einer Baustelle deutlich. Bosch bietet verschiedene Komponenten für einen elektrischen Antrieb und kombiniert den Elektromotor SMG180/120 und den Inverter „Invcon 2.3“ aus der erprobten Großserientechnik aus dem Auto mit einem Reduziergetriebe EDT180 zur Antriebsübersetzung und spezieller Software zum Antriebs-Komplettsystem für Off-Highway-Anwendung.

Dabei ist der Elektroantrieb besonders leistungsfähig: Für Beschleunigungs- oder Boostphasen kann der Antrieb eine Spitzenleistung von bis zu 90 kW erzeugen. Das System eignet sich in Kombination mit einem elektrischen Energiespeicher zur Elektrifizierung von verschiedenen Anwendungen im Off-Highway-Markt, auch abseits des reinen Traktionsantriebs. Dabei ist ein Drehzahl- und ein Drehmoment geregelter Betrieb möglich. Eine Kopplung mit weiteren Einheiten wie Verbrennungsmotor oder anderen Getrieben wie Achs- oder Kettengetrieben macht das System universell einsetzbar. Insbesondere die Darstellung eines seriellen Hybrids auf Basis von hydrostatischen Systemen ist aufgrund ähnlicher Bauraum- und Schnittstellenanforderungen mit geringem Aufwand möglich.

Rekuperierender Hybridbagger

Hybride gewinnen in Zukunft deutlich an Gewicht und die elektrischen Antriebe kommt in den Off-Highway-Bereich. Ein Anwendungsbeispiel sind robuste Systeme, die Energie aus dem Abbremsen der Rotationsbewegung rückgewinnen. Auf Baustellen könnten also in Zukunft rekuperierende Hybridbagger eingesetzt werden. Auch ein Downsizing und Downspeeding von Motoren ist mit der neuen Technologie möglich.

Damit sind bis zu 40 % Spritersparnis denkbar. Die Hybridisierung schwerer Nutzfahrzeuge steigert die Wirtschaftlichkeit also deutlich. Denn Kraftstoff ist der größte Kostenblock beim Einsatz von schweren Maschinen. Gleichzeitig unterstützt die neue Hybrid-Technik zukünftige Emissions-Grenzwerte: Durch den geringen Kraftstoffverbrauch wird auch der CO₂-Ausstoß gesenkt. Dabei ist der neue Antrieb gewohnt kraftvoll: Die Dauerleistung der elektrischen Maschine liegt bei 65 kW. Kurzfristig kann die Leistung auch auf bis zu 120 kW steigen, wobei ein maximales Drehmoment von 1 000 Nm erreicht wird.

Elektrifizierter Gepäckschlepper

Ein innerhalb des öffentlich geförderten Projektes „Innovative Regenerative On-Board-Energiewandler" (Innorobe) aufgebauter elektrifizierter Gepäckschlepper fährt nun mit einer Brennstoffzelle als Range-Extender. Bosch Engineering liefert mit der „Fuel Cell Control Unit" (FCCU) eine Schlüsselkomponente des Brennstoffzellensystems. Diese steuert das Gesamtsystem mit einer integrierten Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelregelung. Innerhalb des Projektes übernahm Bosch Engineering zudem weitere Aufgaben.

Fakten und Komponenten von und für die Batterieproduktion

Die Entwickler aus Abstatt legten das Brennstoffzellensystem aus, um die Dimensionen der Komponenten zu bestimmen. Dafür analysierten sie Fahrzeugeinsatz, Betriebsdauer, Betankung und zahlreiche weitere Anforderungen, um anschließend Parameter wie die Batteriegröße, Leistung des Brennstoffzellenantriebs sowie die Dimensionen des Wasserstofftanks zu bestimmen. Sie bauten das Gesamtsystem auf und optimierten das Zusammenspiel der Komponenten samt Steuerung und Regelung. Für ihre Tests nutzten die Entwickler ein eigenes Brennstoffzellenlabor sowie einen Prüfstand für ein 20 kW Brennstoffzellensystem.

Fuel Cell Control Unit

Gerade in Fabrikhallen ist die lokal emissionsfreie Mobilität schon heute Realität - egal ob es um Gabelstapler oder Kleinstbagger geht. Entsprechend ist an vielen Stellen schon eine Infrastruktur vorhanden: Wasserstofftankstellen gibt es an Flughäfen und anderen privaten Firmengeländen bereits häufiger.

Für lokal emissionsfreie Baumaschinen bietet der Hersteller die Schlüsseltechnologie für den Brennstoffzellenantrieb FCCU. Diese Komponente ist die Schaltzentrale für Brennstoffzellenanwendungen im Off-Highway-Bereich. Sie basiert auf serienerprobter Automobiltechnik und steuert das Gesamtsystem mit einer integrierten Wasserstoff-, Luft- und Kühlmittelregelung.

Die FCCU steuert im Wasserstoffpfad das Tankabsperrventil, den Druckregler und das Entlüftungsventil. Die Wasserstoff-Rezirkulation kann sowohl passiv als auch aktiv ausgeführt sein. Auf Wunsch übernimmt die Komponente auch die Kommunikation mit einer Tankstelle. Im Luftpfad stellt das Steuergerät mit einem elektrischen Verdichter den Luftmassenstrom ein. Der Druck ist über eine Drossel wählbar. Die optimale Betriebsfeuchtigkeit für die Membran stellt die FCCU über einen Befeuchterbypass ein. Ein weiterer Vorteil für die Hersteller ist, dass sich das Steuergerät besonders leicht in ein Brennstoffzellensystem mittels einer Vielzahl an analogen und digitalen Schnittstellen integrieren lässt.