Hydraulik in der E-Baumaschine

Die EU mit dem „European Green Deal“ und die Bundesregierung mit der „Energieeffizienzstrategie 2050“ haben vorgegeben, dass Kohlendioxid-Emissionen deutlich zu reduzieren sind. Das wird dazu führen, dass effiziente Antriebssysteme, alternative und hybride Antriebe öfter eingesetzt werden – auch in mobilen Arbeitsmaschinen. Das erfordert effizientere Komponenten und Systeme für die Arbeitsfunktionen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb müssen elektrisch angetriebene Maschinen zuverlässig, reaktionsschnell und ausdauernd arbeiten, ohne langwieriges Nachladen. Weiter fordern Betreiber niedrige Geräuschemissionen sowie niedrige Wartungskosten und Energieeffizienz.

Eine ausreichende Betriebszeit kann ein Maschinenhersteller mit einer groß dimensionierten Energiequelle oder mit einem System mit niedriger Verlustleistung verwirklichen. Elektrische Antriebe haben bereits eine hohe Effizienz über ein breites Betriebsfeld. Die Hydraulik, die heute in mobilen Arbeitsmaschinen mit Dieselmotor verwendete wird, arbeitet allerdings nicht effizient genug.

Hydrauliksysteme, die sich dem aktuellen Bedarf an Volumen und Druck mit Hilfe von Verstellpumpen anpassen, sogenannte Loadsensing-Systeme (LS-Systeme), erfüllen die Kriterien für elektrifizierte Maschinen nicht optimal: Axialkolben-Verstellpumpen haben zu hohe Lärmemissionen. Letztere werden wegen des nicht mehr vorhandenen Dieselmotor-Geräuschs in elektrifizierten Arbeitsmaschinen besonders hervortreten. Der Wirkungsgrad von LS-Systemen ist über das gesamte Betriebsfeld nicht optimal. Die Regeldifferenz verursacht unnötige Verluste in den meisten Betriebspunkten. Um das LS-System schwingungsfrei zu betreiben, sind mitunter aufwendige Dämpfungen erforderlich. Diese verlängern das Ansprechverhalten erheblich.

Folglich ist es nicht zielführend, den Dieselmotor gegen einen Elektromotor auszuwechseln und das vorhandene Hydrauliksystem unverändert zu belassen. Aber auch Hydraulikzylinder mit elektromechanischen Linearantrieben zu ersetzen, ist nicht sinnvoll: Die mechanischen Getriebe sind für die hohen Belastungen in Baumaschinen ungeeignet. Des Weiteren erfordert jeder elektromechanische Linearantrieb einen E-Motor mit entsprechender Leistung. Die installierte Leistung wird in Summe relativ hoch, auch wenn diese niemals gleichzeitig benötigt wird.

Als Kompromiss zwischen hoher Effizienz und niedrigen Kosten kann man ein spezielles Hydrauliksystem einsetzen. Für leistungsstarke Funktionen mit hohem Potential zur Energierückgewinnung bieten sich Verdrängersteuerungen im geschlossenen Kreis an. Sie weisen die niedrigsten Verluste auf. Jede Linearfunktion erfordert jedoch eine Kombination aus E-Motor und Pumpe, vergleichbar den elektromechanischen Linearantrieben. Dies ist nicht für alle Funktionen sinnvoll.

Für Arbeitsfunktionen sind Ventilsteuerungen mit Flow-on-Demand eine wirtschaftliche Alternative. Hydrauliksteuerblöcke mit getrennten Steuerkanten verringern die Verlustleistung und ermöglichen dynamischere Arbeitsfunktionen. Das erhöht die Effektivität der Arbeitsmaschine. In einem elektrischen System mit Gleichstrom-Zwischenkreis können auch Varianten von Elektroantrieben und Hydrauliksystemen jeweils optimal kombiniert werden. Beispielsweise kann die Hydraulikpumpe als Konstantpumpe mit variabler Drehzahl betrieben werden. Dazu ist die Drehzahl des E-Motors passend einzustellen.

Für diesen Zweck gibt es FoD-Software, beispielsweise von Bucher Hydraulics. Sie berechnet anhand der Ventilansteuerkennlinien die jeweils benötigte, optimale Drehzahl. In diesem sogenannten FoD-System ergibt sich immer – abhängig von der aktuellen Last und den Druckverlusten – der niedrigste mögliche Druck an der Pumpe. Durch eine optimierte Systemauslegung können die Druckverluste minimiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die im LS-System notwendige Regeldruckdifferenz entfällt. Im FoD-System werden die Ventilöffnung und die Pumpendrehzahl parallel gesteuert. Dadurch ist das Ansprechverhalten schnell und direkt, vergleichbar dem Verhalten elektrischer Fahrantriebe. Die Steuerung arbeitet stabil ohne Schwingungen. Damit kann die Arbeitsmaschine vom Bediener effektiver gefahren werden. Das FoD-System hat zusätzlich Vorteile bei geregelten Funktionen, zum Beispiel für Assistenzsteuerungen. Die FoD-Software bietet weitere Optionen, die mit einem traditionellen LS-System nicht gegeben sind.

Die Pumpe hat im drehzahlvariablen Betrieb eine besondere Bedeutung, um die speziellen Forderungen eines FoD-Systems zu erfüllen. Sie ist sozusagen das Herz des Systems. Vergleichbar der Effizienz hochwertiger E-Motoren muss sie sich über einen weiten Arbeitsbereich bei 92 bis 94 Prozent Wirkungsgrad betreiben lassen. Das minimiert den Bedarf an Batteriekapazität und verlängert die Betriebszeiten. Verlustleistungen an der Hydraulikpumpe zu reduzieren, zum Beispiel von fünf auf nur 2,5 Kilowatt, trägt wesentlich zur Energieeffizienz der Arbeitsmaschinen bei. Durch die Wirkungsgradkette mit E-Motor und Umrichter wird dieser Effekt zusätzlich verstärkt.

Zusätzlich sollte sich die Pumpe durch ein niedriges Geräuschniveau auch bei hoher Leistung auszeichnen, wie es Endanwender erwarten. Vorteilhaft ist es, wenn die Pumpen mit hohem Druck angefahren und bei sehr niedriger Drehzahl betrieben werden können ohne vorzeitig und unmäßig zu verschleißen. Eine geringe Leckage und eine hohe Anzahl an Kolben verwirklichen bereits bei niedrigen Drehzahlen eine ruckfreie Zylinderbewegung. Dies ist insbesondere bei Positionierarbeiten und langen Auslegern ein Pluspunkt.

Auf diese Weise können Anwender die Forderungen der Betreiber an mobile Arbeitsmaschinen mit elektrisch-hydraulischen Systeme erfüllen.