Combine harvester electrification for trial plot applications

Abstract

This thesis investigates the electrification of a trial plot combine harvester and evaluates its impact on energy efficiency, fuel consumption, and carbon dioxide emissions. Trial plot combine harvester operate under highly variable duty cycles, which differ significantly from conventional combine harvesters and therefore offer distinct opportunities for electrification.

The study is based on field measurements, where operational data were collected from a diesel-powered plot combine harvester. Based on the measured data, a system-level simulation model was developed in MATLAB/Simulink. The model was validated against field measurements and electrified powertrain configurations were developed for comparative analysis.

Four main configurations were investigated: conventional diesel, parallel hybrid, series hybrid, and full electric. In addition to that, both hydraulic and electric traction drive options were considered. The performance of each configuration was evaluated over a representative eight-hour duty cycle, focusing on fuel consumption, emissions and overall system efficiency.

The results show that hybridization reduces fuel consumption and carbon dioxide emissions compared to the conventional diesel configuration, with the greatest improvements achieved when hydraulic traction is replaced by electric traction. The parallel hybrid configuration with electric traction achieved the highest efficiency among hybrid systems. The full electric configuration demonstrated significantly higher overall efficiency and zero direct carbon dioxide emissions during operation. In addition, the suitability of lithium-ion battery systems for the application was evaluated.

Tässä opinnäytetyössä tutkitaan koeruutupuimurin sähköistämistä ja arvioidaan sen vaikutuksia energiatehokkuuteen, polttoaineenkulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin. Koeruutupuimuri toimii hyvin vaihtelevissa ajosykleissä, jotka poikkeavat merkittävästi leikkuupuimurin ajosyklistä ja tarjoavat siten mahdollisuuksia sähköistämiselle.

Tutkimus perustuu tehtyihin kenttämittauksiin, joissa kerättiin dieselkäyttöisen koeruutupuimurin käyttöön liittyvää dataa. Mitatun datan perusteella kehitettiin MATLAB/Simulink-ympäristössä järjestelmätason simulointimalli. Malli todennettiin kenttämittausten avulla, ja sen rinnalle kehitettiin sähköistettyjä voimansiirtokonfiguraatioita vertailuanalyysiä varten.

Tutkimuksessa tarkasteltiin neljää pääkonfiguraatiota: diesel, rinnakkaishybridi, sarjahybridi ja täyssähköinen. Lisäksi tarkasteltiin sekä hydraulisia, että sähköisiä ajovoimansiirtoratkaisuja. Kunkin konfiguraation suorituskykyä arvioitiin kahdeksan tunnin ajosyklillä keskittyen polttoaineenkulutukseen, päästöihin ja koko järjestelmän energiatehokkuuteen.

Tulokset osoittavat, että hybridisointi vähentää polttoaineenkulutusta ja hiilidioksidipäästöjä verrattuna perinteiseen dieselkonfiguraatioon. Suurimmat parannukset saavutetaan, kun hydraulinen ajovoimansiirto korvataan sähköisellä. Rinnakkaishybridi sähköisellä ajovoimansiirrolla saavutti korkeimman hyötysuhteen hybridijärjestelmistä. Täyssähköinen konfiguraatio saavutti merkittävästi korkeamman kokonaishyötysuhteen eikä aiheuttanut suoria hiilidioksidipäästöjä käytön aikana. Lisäksi arvioitiin litiumioniakkuihin perustuvien akkujärjestelmien soveltuvuutta leikkuupuimurikäyttöön.