Hydraulikoptimierung im Rahmen einer Elektrifizierung
Chad Larish, Principal Subsystem Engineer, Danfoss Power SolutionsChad Larish, Principal Subsystem Engineer, Danfoss PowerSolutions
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Für den Weg zur Elektrifizierung gibt es keine universelle Lösung – er hängt von den jeweiligen Maschinen und vom OEM ab.(Bild: Danfoss)
Wer elektrifizieren möchte, muss wissen, welch wichtige Rolle die Anpassung der Hydraulik dabei spielt. Dieser Ratgeber führt durch die einzelnen Stationen der Entwicklung hin zum richtig elektrifizierten System.
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Ankündigungen von OEMs zu neuen elektrischen Maschinen kommen heutzutage häufig vor. Zu Beginn dieses Jahres stellten viele OEMs auf der Bauma eine breite Palette neuer Maschinen vor – von Elektro-Muldenkippern bis hin zu Motor-Gradern, Baggern und mehr. Angesichts dieser Neuvorstellungen kann man sich des Eindrucks nicht erwehren, dass die Off-Highway-Maschinenindustrie schon eine gewisse Elektrifizierungsreife erreicht hat.
Doch in der Realität stehen wir erst am Anfang der Elektrifizierung. Große Unsicherheit herrscht darüber, was elektrifiziert werden soll und wie man eine optimale Elektrifizierung erreicht. Alle, die den Einsatz elektrischer Maschinen in Betracht ziehen oder diese entwickeln, müssen zunächst die unterschiedlichen Phasen der Elektrifizierung, die Gründe für die zentrale Rolle der Hydraulikoptimierung und die Faktoren für Effizienzsteigerungen in offenen Hydrauliksystemen in Betracht ziehen.
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Die Elektrifizierung von Maschinen ist ein komplexer Prozess, der sich zur Vereinfachung in vier Phasen unterteilen lässt. Der Übergang von einer Phase zur nächsten erhöht jeweils die Effizienz der Anlage, aber auch deren Komplexität und Kosten sowie Risiken.
Die meisten OEMs beginnen die Elektrifizierung, indem sie den Verbrennungsmotor durch einen Elektroantrieb mit Batterien ersetzen. Gekoppelt mit diesem Motor ist eine Hydraulikpumpe mit festem oder variablem Pumpenregler. An der Systemhydraulik und an den Regelalgorithmen gibt es kaum Veränderungen.
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Diese risikoarme Methode erleichtert OEMs den Einstieg in die Elektrifizierung und ermöglicht ihnen das Verständnis der damit verbundenen Komplexität und Herausforderungen. Für den Endanwender ergeben sich daraus keine nennenswerten Änderungen, was zugleich ein Vorteil, aber auch ein Nachteil sein kann. Der wesentliche Nachteil besteht darin, dass solche Maschinen heute hydraulisch gesehen nicht sehr effizient sind, also häufig eine unzureichende Laufzeit aufweisen. Die Kosten sind ein weiterer Nachteil: Sie können den doppelten Preis im Vergleich zu gleichwertigen Dieselmaschinen aufweisen.
Wie bei vielen Dingen rund um die Elektrifizierung sind auch Laufzeit- und Kostenvergleiche anwendungsspezifisch. Nehmen wir zum Beispiel einen Minibagger. Ohne Änderungen an der Hydraulik liegen die Laufzeiten derzeit bei circa 3 bis 4Stunden. Die OEMs wünschen sich 6 bis 8Stunden, wollen aber keine zusätzlichen Batterien einbauen, die einen Hauptkostenfaktor darstellen. Einige Kunden können eine Verdopplung der Kosten zwar auf Basis der Berechnung ihrer Gesamtbetriebskosten (TCO) rechtfertigen, wollen aber auch nicht viel mehr zahlen. Bei mobilen Hubarbeitsbühnen fällt der Kostenunterschied zwischen der konventionellen und der elektrischen Version hingegen deutlich geringer aus – sodass der überwiegende Teil neuer Maschinen in einigen Ländern bereits mit Elektroantrieb läuft.
Die vier Phasen der Elektrifizierung: Einführung eines Elektroantriebs, Hydraulikoptimierung, Einführung einer Energierückgewinnung und schließlich der vollelektrische Betrieb.(Bild: Danfoss)
Phase 2: Hydraulikoptimierung
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Ein OEM könnte die Elektrifizierung nach Phase 1 pausieren und auf einen Preisrückgang bei Batterien warten – was bei kostengünstigeren Plattformen durchaus sinnvoll wäre. Während die Batteriekosten allmählich sinken, betragen die Preise immer noch ein Vielfaches von den Kosten für On-Highway-Batterien – bedingt durch die erforderlichen Batteriepakete und Robustheit für den Off-Highway-Einsatz.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Optimierung der Systemhydraulik, um die Laufzeit der Maschine zu verbessern, ohne die Batteriekosten zu erhöhen. Dies ist die Phase 2 der Elektrifizierung. Zu den Optimierungsfaktoren gehören Änderungen an der Hydraulikarchitektur sowie Technologien wie Schwerkraftabsenkung, eine unabhängige Hydraulikdosierung und Zonensysteme, die sich darauf konzentrieren, die Ineffizienz der Hydraulik auszugleichen.
OEMs sind grundsätzlich bereit, mehr in die Hydraulik zu investieren, um bei den Batteriekosten zu sparen. Allerdings besteht ein sensibles Gleichgewicht zwischen den Anfangsinvestitionen und den Gesamtbetriebskosten (TCO), das viele Zulieferer zu verstehen versuchen – und umgekehrt den OEMs zu vermitteln versuchen. Die für die Optimierung erforderlichen Technologien bestehen aus weit mehr als nur Metallkomponenten – es sind Software, Sensoren und die damit verbundenen Kosten, beispielsweise eine Homologation der Software zur Gewährleistung der funktionalen Sicherheit.
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(Bild: SV Veranstaltungen)
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Phase 3: Einführung einer Energierückgewinnung
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In Phase 3 der Elektrifizierung führen wir die Energierückgewinnung ein, bei der rückgewinnbare Energie erfasst und gespeichert wird, um die Laufzeit der Maschinen weiter zu erhöhen. Diese Phase kann je nach Applikation eine schrittweise Änderung der Komplexität beinhalten. Am einfachsten ist die Energierückgewinnung bei Maschinen, die häufig nur mit einer Einzelfunktion arbeiten, wie Teleskoparbeitsbühnen. Bei Maschinen mit Multifunktionsbetrieb (zum Beispiel bei Teleskopladern, Radladern und Baggern) ist die Komplexität der Energieerfassung deutlich höher, wenn gleichzeitig ein reibungsloser Betrieb gewährleistet und die Übergänge für den Maschinenführer unbemerkt bleiben sollen.
Wegen der verschiedenen Verluste in einem Hydrauliksystem sollten Verbesserungen des Wirkungsgrades erreicht werden.(Bild: Danfoss)
Phase 4: vollelektrischer Betrieb
Die vierte Phase der Elektrifizierung markiert den Übergang zu vollelektrischen Systemen, was bedeutet, dass hydraulische Systeme entweder entfallen oder deutlich reduziert werden. Die Vorteile vollelektrischer Maschinen bestehen in einem maximalen Wirkungsgrad, einem leiseren Betrieb, weniger Komponenten und in einem reduzierten Wartungsaufwand.
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Diese Phase der Elektrifizierung ist zurzeit möglich und für kompakte, leichte Maschinen, die eine geringere Stellkraft erfordern, auch sinnvoll. Für größere, leistungsstarke Maschinen ist die Machbarkeit begrenzt, sodass eine Hydraulik mit hoher Leistungsdichte oft die beste Lösung darstellt. Für den Weg zur Elektrifizierung gibt es keine universelle Lösung – er hängt von den jeweiligen Maschinen und vom OEM ab.
Bei bestimmten Plattformen ist nach Phase 2 oder Phase 3 das Ende erreicht, während sich andere Plattformen besser für eine Elektrifizierung der 4. Phase eignen. In ihrer Gesamtheit befindet sich die Branche noch deutlich in der 1. Elektrifizierungsphase. Sogar führende OEMs im Bereich der Maschinenelektrifizierung sind erst mit Überlegungen zur Phase 2 beschäftigt. Doch dies wird sich in Zukunft beschleunigen.
Obwohl Hydrauliksysteme heute perfekt funktionieren, sind sie ineffizient. Ein typischer Hydraulikbagger verschwendet beispielsweise bis zu 70Prozent der vom Motor erzeugten Nutzleistung. Bei einer herkömmlichen Konfiguration pumpt eine Einzelpumpe den Förderstrom zu einem Regelventil, das diesen Durchfluss auf verschiedene Funktionen der Maschine verteilt.
Obwohl diese Architektur wirkungsvoll ist und ein gutes Maschinengefühl vermittelt, weist sie eine naturgemäße Ineffizienz auf, da die Pumpe alle Arbeitsfunktionen mit demselben Druck versorgt, der von der Funktion mit dem höchsten erforderlichen Druck bestimmt wird. Beim Graben benötigt ein Baggerarm beispielsweise 250bar Druck, während der Ausleger nur 140bar und die Schaufel sogar nur 100bar benötigen. Die Pumpe versorgt alle Arbeitsfunktionen mit 250bar und das Ventil regelt den Druck für Ausleger und Schaufel herunter, wobei über die Steuerkolben Energie verschwendet und in Wärme umgewandelt wird. Dies wird als Einström- oder Durchflussverteilungsverlust bezeichnet.
Andere Verluste in der Maschine sind Ausströmverluste, die zur Steuerung der Überlast- oder Lastreduzierungsfunktionen einer Maschine verwendet werden, und Pumpverluste, die mit der Umwandlung der Antriebsmotorleistung in den Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit verbunden sind. Wegen der Ineffizienz der Ventile ist vor dem Ventil ein höherer Druck erforderlich, was zu größeren Verlusten im gesamten Hydrauliksystem führt. Durch eine Verbesserung des Ventilwirkungsgrads ist es möglich, das gesamte System – einschließlich der Pumpe – effizienter zu gestalten. Dies ist der Schwerpunkt von Phase 2 der Elektrifizierung, der einen entscheidenden Schritt zur Verbesserung der Realisierbarkeit der Elektrifizierung bei Großanlagen bildet.
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Verbesserung des Hydraulikwirkungsgrades
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades können mehrere Maßnahmen ergriffen werden – von der Berücksichtigung unterschiedlicher Architekturen bis hin zur Einführung hochmoderner Technologien. Die erste Voraussetzung ist jedoch ein Wandel in der Denkweise. Die meisten derzeitigen Maschinensteuerungssysteme sind linearer Natur, sind also reaktiv in Bezug auf Eingangssignale und Betriebsbedingungen. Der Bediener bewegt den Joystick und sendet damit ein Signal an das Steuergerät. Das Steuergerät sendet einen Befehl an das Ventil, das Ventil sendet eine Meldung an die Pumpe und die Pumpe fordert vom Motor ein bestimmtes Drehmoment an. Dies kann zu einer isolierten Komponentendimensionierung mit beschränkter Konzentration auf Funktions- und Leistungssynergien führen.
Die Elektrifizierung und Trends wie die Autonomie und intelligente Steuerungen erfordern jedoch stärker integrierte Lösungen. Für ein effizientes Handeln und die korrekte Leistungserbringung sind mehr Intelligenz und eine stärkere Kommunikation der Komponenten untereinander erforderlich. Deshalb ist es wichtig, sich für Komponenten zu entscheiden, die gut zusammenwirken. Integrierte Systeme mit Kombinationen aus Ventilen, Pumpen und Elektroantrieben können die Leistung und die Effizienz maximieren. Lieferanten wissen, unter welchen Bedingungen ihre Produkte am effizientesten arbeiten und können Steuerungsalgorithmen entwickeln, um den Betrieb genau in diesen optimalen Bereichen zu ermöglichen. Letztendlich geht es bei vielen Effizienzoptimierungen um weit mehr als den einfachen Austausch einer Komponente.
Rückgewinnung und Absenkung mit Schwerkraftausnutzung
Der erste Optimierungsbereich ist die Rückgewinnung von Energie, also die Wiederverwendung des bereits im System vorhandenen Förderstroms und Drucks. Die Ausnutzung der Schwerkraft zum Absenken eines Auslegers ist das Kernbeispiel hierfür. Plattformen wie Teleskoplader erfordern heute einen Pumpenförderstrom zur Stangenseite des Zylinders, um ein Lasthalteventil zu öffnen, das den Ausleger absenkt. Elektronische Lastabsenkventile sorgen für eine direkte Absenkregelung und die Möglichkeit, den Förderstrom von der Kopfseite zur Stangenseite zurückzuführen, ohne einen zusätzlichen Pumpenförderstrom zu benötigen. Dies spart Energie, mindert viele Stabilitätsprobleme bei herkömmlichen Lasthalteventilen und erfüllt die Anforderungen an den Lastregler.
Die Elektrifizierung von Off-Highway-Maschinen stellt die nächste Phase der Weiterentwicklung dar.(Bild: Danfoss)
Unabhängige Hydraulikdosierung
Bei herkömmlichen Dosierventilen steuert ein einziger Joystick beziehungsweise Schieber gleichzeitig das Beschleunigen und Bremsen einer Funktion. In einem Auto wäre dies ähnlich wie beim Bremsen, während bei der Bergabfahrt immer noch Gas gegeben wird und bei der anschließenden Bergauffahrt bei angezogener Bremse einfach noch mehr Gas gegeben wird.
Bei unabhängigen Dosierventilen kann jeder Arbeitsanschluss unabhängig vom anderen betrieben werden. Dies ermöglicht eine effizientere und bessere Kontrolle der Arbeitsfunktionen bei ihrem Übergang vom passiven Zustand zum Lastreduzierungszustand und zurück. Diese Ventile arbeiten eher wie ein herkömmliches Auto und bremsen oder beschleunigen nur, wenn dies benötigt wird. Dies sorgt für eine höhere Energieeffizienz und setzt Leistung für andere Funktionen frei.
Regelung mit variablem Standby-Druck
Ein zusätzlicher Pumpendruck, in der Regel als Standby-Druck bezeichnet, ist erforderlich, um den Förderstrom durch die Ventile und Schläuche zu den verschiedenen Maschinenfunktionen zu leiten. Bei herkömmlichen Systemen ist dieser Standby-Druck ein Festwert. Der tatsächlich zum Erreichen des gewünschten Förderstroms erforderliche Druck variiert jedoch in Abhängigkeit vom Förderstrom und anderen Faktoren. Wenn eine Pumpe einen Standby-Druck von 20bar liefert, obwohl nur 11bar zum Erzielen des gewünschten Förderstroms erforderlich sind, wird hierbei Energie verschwendet.
Mit einer elektronischen Load-Sensing- oder variablen Standby-Druck-Regelung kann die Pumpe den Standby-Druck dynamisch an den Förderstrom im Hydraulikkreis anpassen. Auch wenn dies nur hier und da eine geringe Reduzierung von nicht mehr als 5 bis 9bar ergibt, summieren sich die Effizienzgewinne schnell, wenn im Laufe eines langen Arbeitstags hohe Förderströme verarbeitet werden.
Bei der Energierückgewinnung, auch als Regeneration bezeichnet, wird vorhandene überschüssige Energie aus dem System für den umgekehrten (generatorischen) Betrieb eines Elektromotors zum Aufladen der Batterie genutzt. Dies geschieht in Phase 3 der Elektrifizierung. Doch es ist wichtig, die Unterscheidung zwischen Rückgewinnung und Regeneration klarzustellen, da die Begriffe mitunter synonym verwendet werden.
Heutzutage ist es möglich, Energie ganz einfach in Einzelmotor-/Einzelstellglied-Applikationen zurückzugewinnen. Scherenhubarbeitsbühnen konnten beim Einsatz einer solchen Technologie erhebliche Energieeinsparungen demonstrieren.
Bei Multifunktionsmaschinen ist die Regeneration eine schwierigere Aufgabe. Obwohl sie möglich ist, gibt es aufgrund der Komplexität, Kosten und potenziellen Auswirkungen auf das Bediengefühl nicht viele Beispiele für ihre Einführung. Aus den genannten Gründen sehen viele OEMs größere Vorteile darin und konzentrieren sich derzeit stärker auf die Regeneration.
Alternative Architekturen
Viel höhere Wirkungsgradverbesserungen sind mit alternativen Architekturen möglich, wie mit verteilten Systemen, Mehrpumpensystemen und Systemen mit Förderstromzusammenführung. Sowohl bei verteilten, als auch bei Mehrpumpensystemen entfällt das zentrale Regelventil häufig zugunsten dezentraler Regler (also ein Ventil für jeden Stellantrieb). Dies bietet eine verbesserte Steuerung, effizientere Energierückgewinnung und Lasthalte-/Schlauchplatzdämpfung ohne die herkömmliche Ineffizienz des Lasthaltens. Außerdem reduziert eine Konfiguration mit verteilten Ventilen die Anzahl der Fluid-Förderleitungen auf lediglich zwei: eine Pumpenversorgung und eine Tankschiene.
Dies ermöglicht größere Schlauchdurchmesser, welche die Effizienz verbessern, indem sie die Reibungsverluste in den Schläuchen reduzieren.
Wirkungsgradverbesserungen sind mit alternativen Architekturen möglich, etwa mit verteilten Systemen, Mehrpumpensystemen und Systemen mit Förderstromzusammenführung.(Bild: Danfoss)
Verteilte Architekturen verfügen häufig über Einzelmotor und -pumpe. Mehrpumpenarchitekturen weisen hingegen eine Pumpe und einen Motor pro Arbeitsfunktion auf. Eine Mehrpumpenarchitektur kann die Verluste beim Einströmen durch die gemeinsame Nutzung des Pumpenförderstroms für verschiedene Arbeitsfunktionen weiter reduzieren und ermöglicht eine Energieregeneration, ohne andere Arbeitsfunktionen zu beeinträchtigen. Der Kompromiss besteht darin, dass die Leistung nicht zwischen den Arbeitsfunktionen aufgeteilt werden kann und dass jede Pumpe/jeder Motor für die volle Funktionsleistung ausgelegt sein muss.
Dies erhöht die Hardwarekapazität, Kosten und Dimensionierung des Systems. Und letztlich sind Systeme mit Förderstromzusammenführung eine Variation der Mehrpumpenarchitektur, bei der das zentrale Regelventil zur Bereitstellung einer wählbaren Durchflussverteilung beibehalten wird. Dies ermöglicht viele Vorteile der Mehrpumpenarchitektur und die Möglichkeit zur Kombination von Förderströmen, wenn Funktionen mit höherem Förderstrom/höherer Leistung verwendet werden. Dieses System kann mehrere Motoren und Pumpen oder eine digitale Verdrängerpumpe mit unabhängig steuerbaren Auslässen unterstützen.
Betriebseffizienz
Über die Effizienzsteigerung des Hydrauliksystems hinaus gibt es weitere Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung einer Maschine. Die allgemeine Betriebseffizienz lässt sich durch die Automatisierung bestimmter Funktionen verbessern. Es kann mehrere Jahre dauern, bis Maschinenführer die Steuerung einer schweren Maschine vollständig beherrschen. Ein neuer Maschinenführer fährt möglicherweise häufiger bis zum Endanschlag, was den Förderstrom sofort abschaltet sowie über ein Überdruckventil ablässt und dabei Wärme erzeugt. Durch die Bereitstellung automatisierter Funktionen, die es den Maschinenführern ermöglichen, sofort bewährte Verfahren auszunutzen, steigt nicht nur deren Produktivität, sondern auch die Effizienz des Gesamtsystems. Anstatt den Absenkvorgang der Schaufel zu beobachten, um sicherzustellen, dass sie nicht den Boden berührt, kann der Maschinenführer einfach eine Taste drücken, damit die Schaufel jedes Mal exakt den richtigen Punkt erreicht. In der Zwischenzeit kann sich der Maschinenführer auf seine Umgebung konzentrieren oder die Maschine an einen anderen Standort bewegen.
Die Elektrifizierung von Off-Highway-Maschinen steckt zwar noch in ihren Kinderschuhen, wird aber rasch Fortschritte machen.(Bild: Danfoss)
Die Zukunft der Hydraulik
Die Optimierung der Hydraulik auf dem Wege zur Elektrifizierung umfasst weit mehr als die Auswahl effizienterer Komponenten. Die Zukunft der Hydraulik für elektrische Maschinen liegt in anwendungsspezifisch optimierten Systemlösungen für jede Phase der Elektrifizierung. Die Elektrifizierung von Off-Highway-Maschinen steckt zwar noch in ihren Kinderschuhen, wird aber rasch Fortschritte machen.
Im Laufe des letzten Jahrhunderts haben sich Maschinensteuerungssysteme von rein mechanischen Konfigurationen zu manuellen Hydrauliksystemen, anschließend zu analogen und später zu digitalen Elektrohydrauliksystemen weiterentwickelt. Die Elektrifizierung stellt die nächste Phase dieser Weiterentwicklung dar. Obwohl die Systeme anders aussehen werden, wird die Hydraulik auch in Zukunft eine Schlüsselkomponente in Off-Highway-Applikationen bleiben.
