Hochgeschwindigkeits-/Hochspannungs-Steckverbinder die an der entscheidenden Schnittstelle zwischen dem Traktor und seinen Anbaugeräten mit Energie- und Traktionsbedarf zum Einsatz kommen, spielen in der Landwirtschaft eine immer wichtigere Rolle, je stärker der Traktor selbst zur Betriebsstation und zum Energieversorger für das angehängte Gerät fungiert. Angesichts einer steigenden Marktnachfrage nach mehr Produktivität und Nachhaltigkeit geht der Trend weg vom Hydraulikantrieb hin zu Elektroantriebstechnologien. Traditionelle mechanische Hydraulikverbindungen sind nicht sehr energieeffizient. Elektrische Antriebe hingegen verringern nicht nur den Energieverbrauch, sie erweitern gegenüber dem Hydraulikantrieb auch die Kontrolle des Fahrers über das Anbaugerät. Außerdem reduzieren sie zusätzlich die Ermüdungsgefahr des Fahrers.

Elektromotoren können anstelle der Hydraulik den konventionellen Diesel-Antriebsstrang entweder im PTO (Power-Take-Off)-Betrieb unterstützen (Hybrid-Variante) oder ihn komplett übernehmen. Elektrisch betriebene Anbaugeräte wie zu Beispiel Spritzaggregate werden immer breiter und präziser. Sie benötigen Hochspannungs-Steckverbinder zur Übertragung der erforderlichen Strommengen.

EckDaten

Landwirtschaftliche Traktoren sind noch ein relativ junges Einsatzfeld für Elektroantriebe und Ethernet-Technologie. Dennoch spielen Traktoren mit Elektroantrieb eine zunehmend wichtigere Rolle in der Landwirtschaft. Neben einem höheren Wirkungsgrad , erweitern sie auch die Kontrolle des Fahrers über die angehängten Anbaugeräte. Damit dies jedoch reibungslos funktioniert, ist eine immer bessere Anbindung erforderlich. Die stark ansteigenden Datenkonnektivitäts-Anforderungen bringen hierbei allerdings die traditionellen CAN-Bus-basierten Isobus-Protokolle an ihre Grenzen. Hybridsteckverbinder mit integrierter Ethernet-Verbindung innerhalb eines Hochstrom-Steckverbinders kommen daher verstärkt zum Einsatz.

Aber die Traktoren brauchen nicht nur steigende Strommengen, sondern auch immer mehr Konnektivität. Stark zunehmende Datenkonnektivitäts-Anforderungen bringen die traditionellen CAN-Bus-basierten Isobus-Protokolle an ihre Grenzen. Entsprechend stark steigt die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-/Hochspannungs-Ethernetverbindungen zur Übertragung von Videodaten und zum Upload von Steuerungspaketen vom Ackergerät zum Traktor. Dies führt zu einem kontinuierlichen Anstieg des Datenvolumens, bei dem die Geschwindigkeit von Isobus nicht mehr Schritt halten kann.

Bild 1: Eine höhere Präzision bei Traktoren und Anbaugeräten erleichtert den Landwirten das Aussäen der Saat.

Eine höhere Präzision bei Traktoren und Anbaugeräten erleichtert den Landwirten das Aussäen der Saat. TE Connectivity

Diese Entwicklungen – Elektroantrieb, Hochspannungs-Steckverbinder und Ethernet-Protokoll – ermöglichen nicht nur eine gesteigerte Betriebseffizienz und verringerten Energieverbrauch, sie verbessern auch die Präzision von Landwirtschaftsmaschinen und -geräten im Sinne aktueller und zukünftiger landwirtschaftlicher Trends (Bild 1).

Ethernet-Steckverbinder für Wechsel- und Gleichstrom

In Gleichstromanwendungen können die Entwickler zusätzlich zum Hochspannungs-Steckverbinder einen separaten Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steckverbinder zur Überwachung und Steuerung der übertragenen Energie einsetzen. Der Traktor liefert die Energie, aber das Gerät steuert die Übertragung. Das bestehende Isobus-Kommunikationsnetz steuert alle Peripheriemaschinen.

Erfordert der Betrieb eines heckradangetriebenen Anhängers eine Dreiphasen-Wechselstromverbindung (zwischen Traktor und Anbaugerät), ist es vorteilhaft ein Hybridsteckverbinder einzusetzen, da so eine integrierte Ethernet-Verbindung innerhalb des Hochstrom-Steckverbinders realisierbar ist. Diese Hochgeschwindigkeitsverbindung ist erforderlich für den Feedback-Regelkreis zur direkten Steuerung der Geschwindigkeit der Hinterachse. Traktor und Anbaugerät können in dieser Konfiguration als sechsachsiges Antriebssystem agieren, das auf schlammigem Boden, an Steigungen und in schwierigem Gelände über mehr Traktion verfügt.

Herausforderungen gemeinsam lösen

Landwirtschaftliche Traktoren sind ein relativ junges Einsatzfeld für Elektroantriebe und Ethernet-Technologien. Daher müssen sich die Entwickler dieser Fahrzeuge einigen neuen Herausforderungen stellen. Hierzu gehören insbesondere auch Technik-, Design- und Kostenfragen, die entstehen, weil wesentlich robustere Kontakte und Steckverbinder nötig sind, die Tausende von Steckzyklen aushalten müssen. Zudem müssen diese robusten Steckverbinder alle EMI- und Übertragungsstandards erfüllen und sich idealerweise warten lassen. In bestehenden Designs ist in der Regel nur wenig Platz für diese Hybrid-Schnittstellen. Das in rauen Umgebungen erforderliche robuste Design kann zudem die Datenübertragungsleistung beeinträchtigen. All diese Herausforderungen zu lösen, könnte zu einem Kostenproblem führen.

Die Agricultural-Industry-Electronics-Foundation (AEF) vereint Anbaugerätehersteller und andere Industrieunternehmen im Bemühen, Lösungen für diese Herausforderung zu finden. Gemeinsam wollen sie einen allgemeinen Hochspannungs-Steckverbinder definieren und entwickeln, der Platz-, Gewichts- und Kosteneinsparung gegenüber früheren Marktlösungen ermöglicht. TE Connectivity hat bereits eine wichtige Rolle in der Entwicklung des neuen Hybrid-Steckverbinders für Ethernet in Hochspannungssystemen gespielt.

Das Projektteam konzentrierte sich auf die Entwicklung einer Traktor-Standardschnittstelle zur Energieübertragung an die angehängten Maschinen und externen Komponenten. Diese hybride Hochspannungsschnittstelle musste eine sichere, zuverlässige und kosteneffiziente 100 Mbit/s Datenübertragung ermöglichen. Der Gedanke dahinter war, die Elektromotoren für alle standardmäßigen Anhängermaschinen kompatibel mit allen Traktormodellen zu machen, allein begrenzt durch die Ausgangsdaten des Traktormotors. Basierend auf dieser Lösung können lokal gesteuerte Elektromotoren die Limitierungen mechanischer und hydraulischer Lösungen überwinden und die Anforderungen einer neuen Generation von Anhängermaschinen und Anbaugeräten effizienter erfüllen. Sie eröffnen Landwirten eine große Bandbreite von Möglichkeiten für mehr Produktivität und Nachhaltigkeit im Alltagsbetrieb.

Hybrid-Hochspannungs-Steckverbinder

TE hat einen Hybrid-Steckverbinder für Ethernet in Hochspannungssystemen entwickelt, dessen Prototypen bereits für Kundenanwendungen bereitstehen. Wichtige Kriterien waren ein robustes und wartungsfreundliches Design des Steckverbinders, der über eine 100 Mbit/s Datenkommunikationsschnittstelle verfügt. Die Hochspannungsschnittstelle kann sowohl für Wechselstrom als auch Gleichstrom bis 150 kW genutzt werden.

Bild 2: Bild 2: Hybride Hochspannungs-Ethernet-Steckverbinder kommen unter anderem in Kartoffelvollerntern, elektrischen Getreideseparatoren, Ballenpressen, Anhängern mit Elektroantriebsmotor, Düngerstreuern und vielen weiteren Anbaugeräten zum Einsatz.

Hybride Hochspannungs-Ethernet-Steckverbinder kommen unter anderem in Kartoffelvollerntern, elektrischen Getreideseparatoren, Ballenpressen, Anhängern mit Elektroantriebsmotor, Düngerstreuern und vielen weiteren Anbaugeräten zum Einsatz. TE Connectivity

Zu den Anwendungen in Traktoren und Anbaugeräten zählen die Traktorschnittstelle (Leistungsausgang), E-Power- und Frontlade-Generator, sowie die Anbaugerätschnittstelle (Leistungseingang), E-Antriebe und Wechselrichter. Der hybride Hochspannungs-Ethernet-Steckverbinder kommt in Kartoffelvollerntern, elektrischen Getreideseparatoren, Ballenpressen, Anhängern mit Elektroantriebsmotor, Düngerstreuern und vielen weiteren Anbaugeräten zum Einsatz.

Das Steckgesicht des Hochstrom-Hybrid-Steckverbinder ist so gestaltet, dass es leicht zu reinigen ist. Ausgelegt für eine hohe Zahl von Steckzyklen und im nicht gesteckten Zustand gedichtet, soll er hoch robuste Steckverbindungen gewährleisten. Eine überarbeitete Kontaktfixierung erlaubt viele verschiedene Kontaktkombinationen. Sein modularer Aufbau ermöglicht Steckverbinderlösungen für unterschiedliche Anwendungen zu gestalten.

Aktuelle Trends umsetzen

Um ihre Fahrzeuge und Maschinen zukunftsfähig zu machen, sollten Hersteller beim Design langlebiger Traktoren auf aktuelle Technologietrends setzen. Hybride Hochstrom-Ethernet-Steckverbinder ermöglichen eine bessere Steuerung von Stromversorgung und steigenden Datenkonnektivitäts-Bedürfnissen in der Landwirtschaft und anderen Industrie-und Gewerbebranchen. Mit der Integration dieser Steckverbinder in das Fahrzeugdesign lassen sich Anforderungen nach mehr Produktivität, Nachhaltigkeit und Sicherheit besser umsetzen.

Ethernet ist in Landwirtschaftstraktoren noch relativ neu. Daher ist es ratsam, frühzeitig Ingenieure und Produktmanager mit Ethernet- und Hochstrom-Steckverbinderplattform-Erfahrung aus der Automobil-, Landwirtschafts-, Schwer- und Lastverkehrsindustrie in den Ethernet-Designprozess miteinzubinden.

Fazit

Je stärker Elektroantriebe die hydraulischen Antriebe in Traktoren und anderen Landwirtschaftsmaschinen verdrängen, umso häufiger müssen OEMs zur Bewältigung wachsender Strom- und Datenanforderungen sowohl getrennte als auch hybride Ethernet-Steckverbinder in ihre Designs integrieren. Insbesondere zur Übertragung von Videodaten und Steuerungspaket-Uploads vom Anbaugerät zum Traktor ist Ethernet erforderlich. Bei Gleichstrom sollte zusätzlich zum Hochspannungs-Steckverbinder ein getrennter Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steckverbinder zur Überwachung und Steuerung der Energieübertragung zum Einsatz kommen. Für Wechselstromanschlüsse empfiehlt sich ein hybrider Hochgeschwindigkeits-Steckverbinder – ein integrierter Ethernet-Anschluss innerhalb des Hochstrom-Steckverbinders – der den Hochgeschwindigkeits-Feedback-Regelkreis zur Steuerung der Geschwindigkeit der Hinterachse des Anhängers nutzen kann. Diese Entwicklungen – Elektroantrieb, Hochspannungs-Steckverbinder und Ethernet-Protokoll – reduzieren den Energieverbrauch und steigern die Präzision von Traktoren und Ackergeräten.