Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Die Rigitrac Traktorenbau AG ist an der Entwicklung und dem Aufbau eines Rigitrac Traktor Typ: SKE 40, dem weltweit ersten Elektrotraktor mit rein elektrischem Fahrantrieb und effizienter Bremsenergierückgewinnung und Wärmemanagement. Dieses umweltfreundliche und ressourcenschonende Fahrzeug überzeugt durch die geringeren Lärmemissionen, die tiefen Betriebskosten, den geringen Wartungsbedarf und einen sehr hohen Wirkungsgrad. Kernstück des Projekts stellt die Entwicklung und Erprobung eines innovativen Wärmemanagements mit Wärmepumpe dar. Im Winter kann mit der Wärmepumpe durch zusätzliche Wärmerückgewinnung die benötigte Wärme für die Fahrerkabine besonders effizient bereitgestellt werden. Im Sommer wird die Wärmepumpe umgestellt und sorgt für die Kühlung der Fahrerkabine. Damit lässt sich der Strombedarf und die erforderliche Batteriekapazität reduzieren.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
Rigitrac Traktorenbau AG is working on the development and construction of a Rigitrac tractor type: SKE 40, the world's first electric tractor with purely electric drive and efficient brake energy recovery and heat management. This environmentally friendly and resource-saving vehicle impresses with its low noise emissions, low operating costs, low maintenance requirements and very high efficiency. The core of the project is the development and testing of an innovative heat management system with a heat pump. In winter, the heat pump can be used to provide the required heat for the driver's cab particularly efficiently by means of additional heat recovery. In summer, the heat pump is switched over and provides cooling for the driver's cab. This reduces the power requirement and the required battery capacity.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
La société Rigitrac Traktorenbau AG est en train de développer et de construire un tracteur Rigitrac de type : SKE 40, le premier tracteur électrique au monde avec une traction entièrement électrique et une récupération efficace de l'énergie de freinage et de la gestion thermique. Ce véhicule écologique et respectueux des ressources convainc par ses émissions sonores réduites, ses faibles coûts d'exploitation, son faible besoin d'entretien et son très haut rendement. L'élément central du projet est le développement et l'expérimentation d'une gestion thermique innovante avec une pompe à chaleur. En hiver, la pompe à chaleur permet de fournir la chaleur nécessaire à la cabine du conducteur de manière particulièrement efficace grâce à la récupération de chaleur supplémentaire. En été, la pompe à chaleur est commutée et assure le refroidissement de la cabine du conducteur. Cela permet de réduire les besoins en électricité et la capacité nécessaire de la batterie.
|
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
|
Bei Gebäudeheizungen sind Wärmepumpen unterdessen eine Standardlösung. Noch wenig erprobt ist die Nutzung dieser Geräte für die Beheizung von Fahrzeugen. Im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojekts des Bundesamts für Energie wurde ein kompaktes Heiz- und Kühlmodul für kleine E-Traktoren getestet. Die Lösung unter Verwendung einer Sole-Sole-Wärmepumpe mit zwei umschaltbaren hydraulischen Kreisläufen könnte Schule machen und künftig auch in anderen Fahrzeugarten zum Einsatz kommen.
Zugehörige Dokumente
|
Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
|
Pour le chauffage des bâtiments, les pompes à chaleur sont désormais une solution standard. L’utilisation de ces appareils pour le chauffage des véhicules est encore peu expérimentée. Dans le cadre d’un projet pilote et de démonstration de l’Office fédéral de l’énergie, un module compact de chauffage et de refroidissement pour petits tracteurs électriques a été testé. La solution impliquant une pompe à chaleur saumure-saumure avec deux circuits hydrauliques commutables pourrait faire école et être utilisée à l’avenir dans d’autres types de véhicules.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Die Rigitrac Traktorenbau AG (nachfolgend Rigitrac) entwickelt und produziert Traktoren in Küssnacht am Rigi. Im Jahr 2018 hat Rigitrac den Prototyp eines ersten batterie-elektrisch angetriebenen Traktors vorgestellt. Das Fahrzeug wird nun zur Serienreife weiterentwickelt. Das Thermomanagement-System des E-Traktors stellt dabei eine besondere Herausforderung dar.
Das Thermomanagement-System hat die Aufgabe, gleichzeitig die thermischen Bedürfnisse der elektrischen Komponenten (insbesondere der Batterie) und der Benutzerin bzw. des Benutzers zu erfüllen. Rigitrac hat zur Realisierung des Thermomanagement-Systems ein Konzept erstellt, welches auf einem hydraulisch umschaltbaren Wärmepumpen/Kälteanlagen-Modul (WP/KA-Modul) basiert. Dieses Modul kann die einzelnen Komponenten des E-Traktors je nach Bedarf heizen und kühlen. Die Hochschule Luzern unterstützt Rigitrac bei der konzeptionellen Weiterentwicklung des Thermomanagement-Systems und führt experimentelle Untersuchungen des WP/KA-Moduls im Labor sowie im Feldbetrieb durch, um dessen Betriebscharakteristik, Leistungsfähigkeit und Effizienz zu bestimmen.
In einem umfassenden Konzeptreview konnte aufgezeigt werden, dass die Funktionsfähigkeit des Thermomanagement-Systems gegeben ist. Keine der identifizierten Problemstellen gefährdet die grundsätzliche Funktionsweise des Thermomanagement-Systems. Die Absicherung des Kompressors gegenüber unerlaubter Betriebszuständen muss erweitert werden, so dass die komplette Hüllkurve des Kompressor-Kennfeldes abgedeckt wird. Die hydraulische Schaltung der Kreisläufe wird dahingehend optimiert, dass hydraulische Probleme beim Umschalten zwischen den Kreisläufen und während des Betriebs vermieden werden können. Weiter wurde aufgezeigt, dass der eingebaute Luftkühler bei hohen Aussentemperaturen und hoher Leistung des E-Traktors die erforderliche Kühlleistung nicht erbringen kann, da zum Abführen der Wärme eine Kühlmitteltemperatur über der maximal erlaubten Kondensationstemperatur des WP/KA-Moduls notwendig wäre. Dieser Betriebsfall stellt allerdings einen absoluten «worst-case» dar, der im praktischen Betrieb des Traktors nicht auftreten sollte. Daher wird auf eine Vergrösserung der Luftkühlerfläche verzichtet.
Die experimentellen Untersuchungen im Labor zeigen, dass das WP/KA-Modul in den unterschiedlichen Betriebspunkten innere Gütegrade von rund 40% erreicht. Die Effizienz ist im Vergleich zu modernen Heizungswärmepumpen tiefer; es muss jedoch beachtet werden, dass das WP/KA-Modul aufgrund der auftretenden Vibrationen äusserst robust ausgeführt werden und der Kompressor einen sehr breiten Einsatzbereich abdecken muss. Es wurde festgestellt, dass die Überhitzungsregelung mit dem thermostatischen Expansionsventil bei kleinen Verdampferleistungen nicht einwandfrei funktioniert. Der Kompressor ist damit nicht in allen Betriebspunkten vor Flüssigkeitsschlägen geschützt, was zu einer verkürzten Lebensdauer oder im schlimmsten Fall zum Totalausfall des Kompressors führen kann. Nach Neueinstellung des Expansionsventil (in Rücksprache mit dem Modulhersteller) ist eine genügend grosse Sauggasüberhitzung im gesamten Leistungsbereich sichergestellt.
Die Messreihen im Feld bei Sommer- und Winterbedingungen bestätigten die Erkenntnisse aus den Labormessungen. Ein stabiler Betrieb des WP/KA-Moduls unter den geprüften Bedingungen konnte nachgewiesen werden. Eine Herausforderung bei den Feldmessungen stellte die Messunsicherheit der Temperatursensoren dar. Die wasserseitigen Temperaturdifferenzen über die verschiedenen Komponenten sind so klein, so dass sich die Messunsicherheit stark auf die Berechnung der thermischen Leistungen auswirkt. Die Auswertungen über den Kältemittelkreislauf zeigen jedoch, dass die Kennwerte des WP/KA-Moduls aus den Feldmessungen gut mit den Labormessungen übereinstimmen. Die Messungen bei Winterbedingungen zeigen, dass das Beheizen der Fahrzeugkabine mit dem WP/KA-Modul deutlich schneller (um rund einen Faktor 3, höherer Komfort) und energieeffizienter erfolgt als mit einem PTC-Heizelement. Der COP der Wärmepumpe nimmt während des Aufheizvorganges von ca. 3.42 auf 2.36 ab, wobei der durchschnittliche COP («Zyklusarbeitszahl») 2.88 beträgt. Der Gütegrad ist während des Aufheizvorganges nahezu konstant und beträgt durchschnittlich 0.44. Die Kondensator-Leistung nimmt auf Grund des steigenden Verdampfungsdruckes von ca. 1'800 W auf ca. 2'400 W zu bzw. die elektrische Leistungsaufnahme des WP/KA-Moduls steigt von ca. 520 W auf ca. 1'000 W an. Für den Aufheizvorgang ist ein Strombedarf von 231 Wh notwendig. Durch den Einbau des WP/KA-Moduls kann die Einsatzdauer des E-Traktors im betrachteten Szenario «tiefe bis mittlere Belastung des Traktors» um ca. 6% bis 10% gesteigert werden. Dies entspricht einer Erhöhung der Einsatzdauer von 15-45 min, wobei die Erhöhung der Einsatzdauer grösser wird, je kleiner die durchschnittliche Belastung des E-Traktors ist. Aus den Messungen in Verbindung mit den Simulationen konnte die Wärmekapazität (ca. 38 Wh/K) und der Wärmeverlust (ca. 30 W/K) der Kabine ermittelt werden. Obwohl diese beiden Werte explizit für den Aufbau des heutigen E-Traktors SKE40 gelten, können diese Werte zur Ermittlung des groben Wärme- bzw. Kältebedarfs von zukünftigen Kabinen herangezogen werden. Es ist eine Korrektur anhand der Kabinenfläche und Materialisierung notwendig.
Auf Grund der Steigerung der Einsatzdauer durch den Einsatz des WP/KA-Moduls kann eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit gemacht werden. Um eine vergleichbare Einsatzdauer wie beim Einsatz einer elektrischen Heizung zu erreichen, kann die Batterie um ca. 3% bis 5% kleiner ausgelegt werden. Dies würde eine Batteriekosteneinsparung von 278 CHF – 1160 CHF bedeuten. Der Mehraufwand für die Verwendung des WP/KA-Moduls zur Abwärmenutzung beläuft sich auf ungefähr 200 CHF. Dement-sprechend kann der finanzielle Mehraufwand des WP/KA-Moduls zur Abwärmenutzung bereits vom Hersteller amortisiert werden. Zusätzlich profitiert der Anwender durch einen tieferen Energieverbrauch und dadurch ebenfalls von geringeren Energiekosten. Diese Einsparung kann je nach Betriebsbedingungen ca. 40-70 CHF/Jahr betragen.
Das Projekt liefert wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des jetzigen E-Traktors sowie für die Entwicklung neuer Traktoren bei Rigitrac. Das verbesserte Thermomanagement-System liefert einen wichtigen Beitrag an den robusten und energieeffizienten Betrieb des Traktors und damit an einen nach-haltigen und umweltfreundlichen Einsatz in der Praxis.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
Rigitrac Traktorenbau AG (hereinafter Rigitrac) develops and produces tractors in Küssnacht am Rigi. In 2018, Rigitrac presented a prototype of its first battery-electric tractor. The vehicle is now to be further developed to production readiness. In particular, the thermal management system of the electric tractor poses a challenge.
The thermal management system has the task of simultaneously meeting the thermal needs of the electrical components (especially the battery) and the user. To realize this thermal management system, Rigitrac created a concept based on a hydraulically switchable heat pump / refrigeration system module (HP / RS module), which can be used to heat and cool the individual components as needed. The Lucerne University of Applied Sciences and Arts (hereafter HSLU) supports Rigitrac in the conceptual further development of the thermal management system and conducts experimental investigations on the HP / RS module as well as on the tractor in the field in order to experimentally determine its charac-teristics and application limits.
The concept review showed that the planned thermal management system works in principle. The protection of the compressor against unauthorized operating conditions must be extended so that the com-plete envelope of the compressor map is covered. Furthermore, the hydraulic circuitry of the circuits must be investigated to avoid hydraulic problems when switching between the circuits and during operation. It could also be shown that the installed air cooler cannot provide the required cooling capacity at high outside temperatures and high output of the electric tractor, since a coolant temperature above the maximum permitted condensation temperature of the HP / RS module would be necessary to dissipate the heat via the cooler. However, this operating case represents a "worst case" which should not occur in actual operation. Therefore, an increase in the area of the air cooler can be dispensed with.
During the experimental investigations in the laboratory, it could be determined that the HP / RS module achieves average 2nd law efficiency in the different operating points of 40%. Although this seems to be rather low compared to modern heat pumps for building heating, it has to be considered that the HP / RS module and especially the compressor of the module have to be designed extremely robust due to the occurring vibrations. In addition, it was found that the superheat control via the thermostatic expansion valve did not function as intended at all operating points, which means that the compressor was not protected against liquid damage at all operating points. This could result in shortened compressor life or even total compressor failure. In order to evaluate possible adjustments, the manufacturer of the HP / RS module was contacted again. After readjustment of the expansion valve, it could be ensured that a sufficiently high superheat results in the relevant power range.
Finally, experimental tests were carried out in the field under typical summer and winter conditions. Again, a stable operation of the HP / RS module could be demonstrated. A challenge for the field measurements was the measurement uncertainty of the currently installed temperature sensors. Since the individual heat outputs of the different components are determined by the respective small temperature differences, deviations in the measurement evaluation have a strong effect. However, the problem could be mitigated by an additional consideration of the module performance via the refrigerant circuit. The measurements under winter conditions further showed that the heating of the vehicle cabin with the HP / RS module is significantly faster (by about a factor of 3, higher comfort) and more energyefficient than with a PTC heating element. The operating time of the electric tractor can thus be increased by approx. 6% to 10% in the scenario considered (assuming a low to medium load on the tractor).
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
La société Rigitrac Traktorenbau AG, ci-après dénommée Rigitrac, est spécialisée dans le développe-ment et la fabrication de tracteurs à Küssnacht am Rigi. En 2018, Rigitrac a dévoilé le prototype de son premier tracteur électrique alimenté par batterie. Depuis lors, ce véhicule a été développé pour la production en série. Le défi majeur réside dans la gestion thermique du tracteur électrique.
Le système de gestion thermique doit répondre aux besoins de chaleur des composants électriques, en particulier la batterie, tout en garantissant le confort de l'utilisateur. Pour relever ce défi, Rigitrac a conçu un concept basé sur un module de pompe à chaleur/installation frigorifique (module PAC/IF) à commutation hydraulique. Ce module peut chauffer ou refroidir les composants du tracteur électrique en fonction des exigences. L’Haute Ecole Spécialisée de Lucerne collabore avec Rigitrac pour le développement conceptuel du système de gestion thermique. Des expériences en laboratoire et sur le terrain ont été menées pour évaluer ses performances et son efficacité.
Une revue complète du concept a montré que le système de gestion thermique est fonctionnel, sans mettre en danger son fonctionnement de base. Pour garantir la protection du compresseur contre des conditions de fonctionnement non autorisées, des ajustements ont été apportés. De plus, des mesures ont confirmé que l'échangeur d'air intégré n'est pas capable de fournir la puissance de refroidissement requise dans des conditions extrêmes, mais cela ne devrait pas se produire dans un usage pratique.
Les tests en laboratoire ont montré que le module PAC/IF atteint a 2nd law efficiency d'environ 40% dans diverses conditions de fonctionnement. Bien que son efficacité soit inférieure à celle des pompes à chaleur de chauffage modernes, il est important de noter que le module PAC/IF doit être robuste en raison des vibrations et de la large plage d'utilisation du compresseur. Des ajustements ont également été apportés pour garantir la protection du compresseur contre les coups de liquide.
Les tests sur le terrain, en été et en hiver, ont confirmé les résultats des essais en laboratoire. L'instal-lation du module PAC/IF pour chauffer la cabine s'est avérée nettement plus rapide et économe en énergie qu'un élément de chauffage PTC. En raison de ces améliorations, la durée d'utilisation du tracteur électrique a augmenté de 6% à 10%, ce qui équivaut à une augmentation de 15 à 45 minutes, en fonction de la charge.
Les mesures combinées aux simulations ont permis de déterminer la capacité thermique de la cabine (environ 38 Wh/K) et la perte de chaleur (environ 30 W/K), qui peuvent servir comme référence pour les futures cabines en fonction de leur taille et de leur matériau de construction.
L'augmentation de la durée d'utilisation grâce au module PAC/IF permet des économies sur la batterie, compensant ainsi le surcoût initial. De plus, l'utilisateur bénéficie d'une consommation d'énergie réduite, ce qui se traduit par des coûts énergétiques moins élevés, pouvant atteindre environ 40 à 70 CHF par an selon les conditions d'utilisation.
Ce projet revêt une importance capitale pour le développement actuel et futur des tracteurs électriques chez Rigitrac. Le système de gestion thermique amélioré contribue de manière significative à l'efficacité et à la durabilité environnementale des tracteurs, assurant ainsi une utilisation respectueuse de l'environnement dans la pratique.
|
