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Durchdachte Elektrifizierung

Durchdachte Elektrifizierung

Elektrische Antriebe für mobile Maschinen sind in aller Munde. Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sind sehr gute Argumente für diese Antriebsvariante. Für den Konstrukteur ergeben sich durch die Elektrifizierung neue Aufgabenstellungen, bei denen oft die Batterien eine große Rolle spielen. Gleichzeitig rückt die Effizienz der Hydraulik mehr in den Fokus, da Verluste hier nun eine stärkere Rolle spielen. Das Unternehmen Hydac hat sich grundsätzliche Gedanken zu dem Thema gemacht.

Mit dem Ziel Emissionen nachhaltig zu verringern, spielt die Elektrifizierung auch in mobilen Arbeitsmaschinen eine wichtige Rolle. Verbrennungsmotorisch angetriebene Maschinen haben zumeist mehrere Hydraulikpumpen für die einzelnen Verbraucher im Einsatz, z. B. LS-Pumpen für die Arbeitshydraulik oder Konstantpumpen für die Nebenverbraucher. Die Pumpen sind in Betrieb, sobald der Dieselmotor eingeschaltet wird bzw. der Nebenabtrieb eingekuppelt wird. Wird der Dieselmotor durch einen Elektroantrieb ersetzt, so ändert sich in der Regel die gesamte Versorgungsarchitektur innerhalb der Maschine. Folglich werden nun elektrohydraulische Aggregate für die Versorgung diverser Haupt- und Nebenfunktionen mit hoher Leistungsdichte benötigt.

Bürstenloses Gleichstromaggregat (drehzahlvariabel)

Es ergeben sich folgende Herausforderungen aus Sicht des Maschinenherstellers im Zuge der Elektrifizierung:
n Maschinen mit konventionellem und elektrischem Antrieb müssen in der Übergangsphase jeweils parallel gebaut werden. Dabei möchten Maschinenhersteller möglichst viele Gleichteile in beiden Maschinentypen einsetzen.
n Bei der Auslegung elektrifizierter Maschinen spielen die Gesamtkosten durch die installierte Batteriekapazität und die Hochvoltkomponenten eine hervorgehobene Rolle. Darüber hinaus ist die Reichweite der Maschine mit einer Batterieladung ein Differenzierungsmerkmal für die fertige Maschine. Folglich rückt eine energieeffiziente Auslegung des Gesamtsystems beim elektrisch angetriebenen System deutlich mehr in den Fokus, da dies – im Gegensatz zur konventionellen Maschine – nicht mehr nur die Betriebskosten, sondern auch die Anschaffungskosten maßgeblich beeinflusst.
n Darüber hinaus verschärft sich die aus der konventionellen Maschine bekannte Bauraum- und Gewichtsproblematik durch den Einsatz leistungsstarker und damit geräumiger Batterien noch einmal deutlich.
Diese Anforderungen haben erheblichen Einfluss auf das Hydrauliksystem der E-Maschine. Hydac hat hier verschiedene Lösungsansätze entwickelt.

Einsatz grösserer Nennweiten

Für Hersteller, die nur einen geringen Anteil des Produktportfolios elektrifizieren, besteht die Möglichkeit, die bestehende Hydraulik nur dort anzupassen, wo es durch die Elektrifizierung notwendig ist. So kann hier eine hohe Anzahl von Gleichteilen verwendet werden. Hydac hilft hier die Hydraulik zu optimieren, z. B. durch den Einsatz größerer Nennweiten zur Reduzierung der Drosselverluste, ohne die Maschinenarchitektur beeinflussen zu müssen.
Die Hydraulik rückt in den Fokus, weil ihr Anteil an den Gesamtverlusten bei elektrifizierten Maschinen wesentlich größer ist als bei konventionellen Maschinen (Entfall der Hauptverlustträger/Verbrennungsmotor). Durch Vergrößerung der Ventilnenngrößen oder Verwendung hocheffizienter Pumpen kann diese Verlustleistung stark reduziert werden und damit Einfluss auf die Batteriekapazität oder die Reichweite genommen werden.

Hydraulik rückt in den Fokus, denn ihr Anteil an den Gesamtverlusten steigt

Möglichkeiten für die energieeffiziente Auslegung sind z. B. die Entkopplung von priorisierten Verbrauchern oder von Funktionen, die nur im Stillstand einer mobilen Arbeitsmaschine gebraucht werden. Üblicherweise wird die Maschine so ausgelegt, dass der Betrieb für mindestens eine halbe Schicht ohne Ladezyklus sichergestellt ist. Es gilt für den Maschinenhersteller zu beachten, dass insbesondere die Überschüsse und Drosselverluste aus den priorisierten Funktionen sowie aus den Nebenfunktionen einen nicht zu unterschätzenden Anteil am Gesamtenergiebedarf darstellen. Hier werden in der Regel nicht die hohen Volumenströme benötigt -und insbesondere nicht dauerhaft. Auf Basis der konventionellen Maschine werden diese jedoch u. U. noch dauerhaft bereitgestellt, was es zu überprüfen gilt.

Konzept wassergekühlte Motor-Pumpen-Einheit (drehzahlvariabel)

Downsizing als Option

Umgekehrt ist auch denkbar, dass kleine Leistungen dauerhaft zur Verfügung stehen sollen, während die Hauptverbraucher nur im Arbeitsmodus versorgt werden, z. B. bei Maschinen mit Transport- und Arbeitsintervallen. In einem solchen Konzept kann der Synchronmotor des „Arbeitsaggregats“ einem Downsizing unterzogen werden, wenn eben relevante Druck-/Volumenstrom-Kombinationen anderweitig bereitgestellt werden. Auch Baugrößenreduzierungen der Hydropumpen haben wesentliche Vorteile bzgl. Bauraum, Gewicht und Kosten. Ein vollständiges Abschalten führt zu Pausenzeiten, die das Gesamtsystem thermisch entlasten. Dies betrifft das Medium, die Batterie und die Komponenten inkl. ihrer alternden Dichtungen. Auch das Geräuschniveau der Maschinen kann hierdurch verbessert werden.

Mehrpumpen-Konzepte optimieren Wirkungsgrade

in anderer Ansatz sind die sogenannten Mehrpumpen-Konzepte. Ein luft- oder wassergekühlter Elektromotor treibt hierbei mehrere Konstantpumpen an, wodurch sich zumindest zwei (oder mehr) unabhängige Pumpendrücke realisieren lassen. Die führende hydraulische Funktion bestimmt hierbei die Motordrehzahl. Durch geschickte Aufteilung der Funktionen und applikationsbezogene Auslegung der Pumpen lassen sich häufig die Drehmomente in optimale Wirkungsgradbereiche verschieben, wodurch sich das Lastmoment reduziert. Diese Konzepte sind dann geeignet, wenn die Funktionen häufig parallel, jedoch mit unterschiedlichen Drücken versorgt werden müssen. Effiziente Druckumlaufsteuerungen mit geringen Staudrücken runden das Konzept ab.

Gleichstromaggregat für Aussetzbetrieb

Powerpacks statt Zentralhydraulik

Als weiterer Lösungsansatz, um die Herausforderungen bzgl. Bauraum und Gewicht zu meistern, bieten sich dezentrale, verbrauchernahe Lösungen basierend auf frequenzgeregelten Motoren mit geringem Leistungsspektrum an. Häufig lassen sich durch die Auflösung der Zentralhydraulik Sekundärkosten vermeiden und Gewicht einsparen, z. B. für Verschlauchung, Fittings, Tankgröße oder Montagekosten. Kostenseitig und energetisch kann es häufig Sinn machen, mehrere kleine Powerpacks zu verwenden statt ein komplexes Einzelaggregat mit nachgeschalteter Verzweigung oder Priorisierung der Volumenströme. Die Drehzahlvariabilität erlaubt eine Leistungsregelung mit einfachen Konstantpumpen. Insbesondere bei kleinen und mittleren Leistungen besteht nicht zwingend die Notwendigkeit, mit Hochvolt-Komponenten oder Wasserkühlung zu arbeiten.

     

Quelle: Hydac

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