Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

In this study, data from different studies were used to find how much energy
that a conventional tractor required per hectare when it was performing different
operations on a field. Data for operation speed and power demand
were taken from an earlier study for each task of the tractor model Valtra
6600. In this report, the operation speed for each task on the field were simulated
in Excel together with a given electrical motor, a battery and a
charger. This was done in order to find what affected the working time for
an autonomous battery powered tractor. Two scenarios were studied in Excel;
how the distance to the charger, and different charging speeds affected
the working hours in order to operate a 200-hectare farm.

The size of the battery affected the results most when the distance between
the field and the charger was studied. The system design was in need of a
larger battery size when the distance to the charger was 10 km or more.
With a smaller distance, a smaller battery was required to reach valid results.
Larger power of the charger means not only lower charging time of
the battery. The results also showed that if the system configuration had a
larger charging power, the working days of the tractor did not decrease significantly
by larger battery size. In other words, the working hours of the
tractor were more affected by larger battery size for a low-powered charger
than for a high-powered charger. In this study, a high-powered charger was
set to 100 kW to decrease the purchasing cost.

Considering the high cost and weight of the battery, the smallest battery size
as possible was chosen, without increasing the working time on the field too
much. A battery of 100 kWh was chosen since the results did not improve
generally by installing a larger battery size. The electric synchronous permanent
magnet motor was chosen to the system configuration, due to its
normally high-power density and high efficiency. The power of the motor
was set to 70 kW, since a smaller motor has lower weight and can be powered
by less energy per hour compared to a larger motor.

With a system configuration of a high-powered charger of 100 kW, a high
energy density battery of 100 kWh and one synchronous permanent magnet
motor of 70 kW, the working time for the autonomous battery-powered tractor
to perform different operations on a field was calculated to 63 days. This
included field operation, transport between the charger and the field and
charging time. Assuming the tractor was working 24 h a day at a 200-hectare
farm and that the speed of the tractor on the road between the field and
the charger was 30 km/h. The cost and the weight of the system configuration
was calculated to 587 000 SEK and 646 kg. Considering maintenance
and whether variations, in reality the autonomous tractor would have needed
more time than 63 days of working the farm.

I det här projektarbetet användes data från olika studier för att ta reda på hur mycket energi som krävdes per hektar för en konventionell traktor som utförde olika arbetsmoment på ett fält. Bland annat användes olika arbetshastigheter och effektbehov för traktormodellen Valtra 6600, tagna från en tidigare rapport. I det här projektarbetet modellerades arbetshastigheterna per arbetsmoment i verktyget Excel tillsammans med en given motoreffekt för en elmotor, ett batteri och en laddningseffekt. Detta för att ta reda på vilka faktorer som påverkade brukningstiden vid arbete på en gård med en autonom batteridriven traktor. Bland annat studerades hur olika laddningseffekter och avståndet till laddaren påverkade tiden att bruka en 200 hektar stor gård.

Storleken på batteriet hade störst påverkan på resultatet då avståndet till laddningsstationen undersöktes. Vid ett större avstånd på 10 km var systemet i behov av en större batteristorlek, i storleksordningen 200 kWh för att minska brukningstiden under maxgränsen på 150 dagar. Med ett mindre avstånd till laddaren kunde batteristorleken hållas mindre, runt 100 kWh. En högre laddningseffekt innebar inte bara minskad laddningstid. Behovet av att öka batteristorleken för att sänka arbetstiden på gården minskades också med en högre laddningseffekt. I den här studien valdes en laddningseffekt på 100 kW för att minska inköpskostnaden.

Med tanke på att vikten och kostnaden ökades betydligt med en större batteristorlek, valdes en så låg batteristorlek som möjligt utan att öka brukningstiden för mycket. Ett större batteri än 100 kWh visade sig inte påverka brukningstiden avsevärt varför denna energimängd valdes till systemutformningen. Den synkrona permanentmagnetmotorn valdes för sin normalt höga effektdensitet med en märkeffekt på 70 kW. Den här motorn valdes eftersom en mindre motor har både lägre kostnad och vikt. Dessutom förbrukar en mindre motoreffekt också mindre energi per timme jämfört med en större motor.

Med en systemutformning bestående av en laddningseffekt på 100 kW, ett batteri på 100 kWh och en synkron permanentmagnetmotor på 70 kW, skulle brukningstiden för den autonoma batteridrivna traktorn att utföra alla arbetsmoment på gården bli 63 dagar. Detta inkluderade arbetet på fältet, transporten mellan laddningsstation och fält samt laddningstiden av batteriet. Traktorn antogs arbeta dygnet runt på en 200 hektar stor gård och hastigheten mellan laddningsstationen och fältet var 30 km/h. Kostnaden och vikten för systemutformningen beräknades till 587 000 SEK och 646 kg. I verkligheten skulle traktorn kräva mer tid än 63 brukningsdagar med anledning av underhåll av traktorn samt dåligt väder. Eftersom traktorn inte kan utföra vissa arbetsmoment vid exempelvis regn eller storm.