Av: Bruno Jouffrey, Market Development Manager – Electric Motion & Pneumatic Division (EMPD) – Motion Systems Group
Byggnadsutrustningsbranschen genomgår en omvandling. I takt med att hållbarhetsmålen slår igenom och utsläppsbestämmelserna blir strängare sträcker sig arbetet med att elektrifiera offroad-maskiner utöver bara drivsystem. Idag riktas uppmärksamheten mot elektrifiering av arbetsfunktioner – hydraulik-, styrnings-, broms- och extrasystem som utför tunga lyft, grävning, avjämning och borrning som definierar anläggningsarbete. Vissa tillverkare arbetar med att bygga in elektrifiering i de befintliga maskinchassierna, men nästa generations maskiner kräver noggrann framtagning för att fortsätta denna utveckling.
Bruno Jouffrey. Photo: Pretzl
Därför är elektrifiering av arbetsfunktioner viktigt nu
Det här skiftet är inte valfritt. Städer runt om i världen inför nollutsläppskrav. Städer som London, Berlin och Paris tillämpar redan restriktioner som snart kommer att förbjuda maskiner med interna förbränningsmotorer (ICE) från att användas inom stadens gränser. Entreprenörer börjar vinna eller förlora bud baserat på utsläppsdata, och branschen svarar snabbt. Medan batteridrivna framdrivningssystem har fått en betydande användning i mindre fordon som truckar och lagertransporter, innebär elektrifiering av arbetsfunktioner i terränganläggningsmaskiner unika och komplexa utmaningar som kräver specialiserade tekniska lösningar.
Prestandakrav och batteribegränsningar
Elektrifierade arbetsfunktioner måste klara av kraftfulla, kontinuerliga tillämpningar som utökar kapaciteten hos aktuell batteriteknik. Kompakta maskiner som minigrävare och små hjullastare kan arbeta effektivt med litiumjonkraft. Men verkligheten är annorlunda för medelstora och tunga maskiner. Deras krävande arbetscykler, långa drifttider och höga hydrauliska belastningar kräver effektnivåer som är svåra att uppnå med enbart batterier. Även när batteriets energitäthet förbättras förblir klyftan mellan lagrad energi och nödvändig effekt ett stort hinder för tyngre utrustning.
Photo: Shutterstock
Förstå energiförluster i hydraulsystem
Energiförlust är en dold fråga som försvårar elektrifieringen ytterligare. Traditionella hydraulsystem som drivs av förbränningsmotorer är notoriskt ineffektiva. Studier av maskinernas energianvändning har visat att mindre än 15 procent av bränsleenergin omvandlas till användbar kraft, och resten går förlorad på grund av friktion, vätskestrypning och ineffektiva komponenter. Dessa förluster, som kan överstiga 85 procent i vissa system, utgör en enorm möjlighet till förbättringar inom elektriska arkitekturer. Elektrifierade system kan optimeras mer exakt för efterfrågan, så att energi kan appliceras var och när den behövs utan de förluster som är inneboende i kontinuerligt använda konfigurationer med förbränningsmotorer.
Systemdesignstrategier för elektrifiering
Systemkonstruktörer kan nu gå flera vägar för att elektrifiera arbetsfunktioner. En av de mest använda metoderna är den elektriska hydraulpumpen eller EHP. Tidiga implementeringar använde elmotorer med fast varvtal för att efterhärma beteendet hos förbränningsmotorer. Detta tillvägagångssätt förenklade integreringen, men gav begränsade effektivitetsvinster. Dagens EHP-lösningar utnyttjar principer för kraft på begäran och motorstyrning med variabelt varvtal för att leverera hydraultryck endast när det behövs. Denna strategi minskar tomgångsförlusterna, sänker energiförbrukningen och förlänger batteriernas livslängd.
EHP jämfört med EHA: Välja rätt tillvägagångssätt
Elektriska hydrauliska ställdon, eller EHA:er, ger ännu högre effektivitet genom att den centrala hydraulkretsen helt elimineras. Dessa system använder elektrisk kraft för att driva rörelser direkt vid ställdonet. EHA:er är mer komplexa och kostnadskrävande än EHP:er, men ger överlägsen styrning, modularitet och energiprestanda. För många OEM-tillverkare kan en hybridmodell med EHP:er tillsammans med konventionella ventilblock och fasta ställdon hitta rätt balans mellan prestanda, integrationskomplexitet och kostnad.
Värmehantering i elektrifierade maskiner
Ett annat övervägande för elektrifiering är värmehantering. Dieselmotorer genererade mycket spillvärme som skulle kunna ledas om för att värma hydraulvätskor eller värma upp hytten. I elektriska maskiner omfattar värmekällor batterier, växelriktare, motorer och styrenheter – var och en med olika temperaturtrösklar och kylningsbehov. För att hantera dessa termiska belastningar krävs integrerade kylsystem som kan upprätthålla optimala temperaturer under många olika driftsförhållanden.
Maskinspecifika kylkrav
Den termiska konstruktionens komplexitet varierar beroende på maskintyp. En grävmaskin kräver till exempel två distinkta kylslingor. Den ena kyler den elektriska drivlinan och den andra kyler elmotorn och växelriktaren som driver hydrauliken. Ytborriggar innebär ytterligare en uppsättning utmaningar. Dessa maskiner har höga bommar och kylvätska måste pumpas upp till åtta eller tio meter för att nå motorn, vilket skapar ytterligare tryck- och styrkrav. Bränsleceller med vätgas medför egna utmaningar, inklusive utsläpp av mycket het luft som måste ledas bort från operatörer och andra maskinkomponenter.
Spänningsöverväganden för kylsystem
När det gäller kylsystem måste teknikerna även välja mellan låg- och högspänningsalternativ. En typisk jämförelse omfattar 24-volts- och 600-voltssystem som är utformade för att leda bort samma mängd värme. Högspänningssystem brukar ge bättre luftflöde och effektivitet, men kräver också speciella kablar, säkerhetsåtgärder och isolering. Lågspänningssystem är enklare att implementera och kräver normalt mindre utrymme och ger lägre prestanda, vilket begränsar användningen till mer lokaliserade tillämpningar. Varje tillämpning kräver en noggrann utvärdering av storleksbegränsningar, kylbelastning, säkerhetskrav och integrationsarbete.
Vätgasens roll i tillämpningar med utökad drift
Batterier förblir den huvudsakliga kraftkällan för kompakta och medelstora maskiner, men vätgas börjar framstå som en lovande lösning för tung utrustning. Litiumjonceller fortsätter att förbättras, men de når fortfarande inte upp till den effekttäthet som krävs för att driva stora maskiner under ett helt skift utan tät laddning. På platser där elnätet inte är tillgängligt eller redan är mättat är vätgas en alternativ väg till utsläppsfritt arbete.
Vätgasförbränningsmotorer jämfört med bränsleceller
Byggbranschen investerar i vätgasteknik i två huvudsakliga riktningar. Den första är användningen av vätgas i modifierade förbränningsmotorer. Detta tillvägagångssätt bibehåller den grundläggande hydrauliska arkitekturen och drivlinan hos dieselmaskiner samtidigt som bränslet byts ut. Även om detta eliminerar koldioxidutsläpp, kräver det också betydande lagring på maskinen, eftersom vätgas måste hållas under högt tryck.
Det andra och mer framtidsinriktade alternativet är vätgasbränslecellen. I den här konfigurationen tillhandahåller en bränslecell baskraften, medan ett litet litiumjonbatteri ger ytterligare vridmoment vid toppbelastning. Den här installationen speglar batterielektrisk arkitektur, men ger längre drifttid och snabbare tankning. Bränslecellssystem testas redan i grävmaskiner, gaffeltruckar och ramstyrda dumprar. Den begränsade infrastrukturen för vätgasdistribution är dock fortfarande en betydande flaskhals för omfattande användning. Att bygga den här infrastrukturen är för närvarande ett dyrt alternativ, men växande efterfrågan kan driva förändringen.
Digitalisering som en ryggrad för elektrifiering
Utöver hårdvaran spelar smarta system och digital anslutning en allt större roll för att stödja elektrifierade arbetsfunktioner. Modern anläggningsutrustning utrustas i allt högre grad med sensorer som övervakar tryck, vridmoment, temperatur och mekanisk belastning i realtid. Dessa sensorer stöder inte bara effektiv maskindrift, utan matar även in data till system för förebyggande underhåll som kan upptäcka potentiella fel innan de uppstår.
Funktionell säkerhet och halvautonom drift
Sensoraktiverade system är också viktiga för att uppfylla nya funktionssäkerhetsstandarder. I elektriska och halvautonoma maskiner måste elektroniska broms- och styrsystem upptäcka och reagera på fel automatiskt för att undvika faror. Tekniker som steer-by-wire och brake-by-wire avlägsnar hydraulledningar från förarhytten och ersätter dem med elektroniska inmatningsenheter, vilket förbättrar kontrollen och möjliggör automatiska assistansfunktioner. Dessa tekniker stöder även fjärrstyrd och autonom drift, vilket ökar intresset inom tillämpningar som gruvdrift, stenbrytning och storskalig schaktning.
Smartare maskiner med anpassade styrplattformar
Digitala displayer, molnanslutning och anpassningsbar styrprogramvara gör att OEM-tillverkare kan skräddarsy maskinens beteende för specifika tillämpningar. Plattformar som Parkers IQAN erbjuder ingenjörer verktyg för att utforma, testa och använda sofistikerad styrlogik samtidigt som de uppfyller säkerhets- och prestandakraven. Integrationen av molndiagnostik minskar servicetiderna och förbättrar drifttiden ytterligare, eftersom servicerutiner kan schemaläggas baserat på faktiska maskinförhållanden snarare än fasta intervall.
Slutsats: Utformning för prestanda, effektivitet och hållbarhet
Ytterst ligger framtiden för elektrifierade arbetsfunktioner i holistisk systemdesign. Dragkraften kan följa när dessa grundsystem har beprövats och optimerats. Verkliga effektivitets- och prestandavinster kommer från att ompröva hela maskinens arkitektur, integrera smarta styrsystem, hantera värmesystem på ett intelligent sätt och välja rätt energikälla för varje tillämpning. Målet är att leverera maskiner som är renare, tystare och mer produktiva, vare sig det gäller batterier, vätgas eller hybridsystem, utan att ge avkall på den robusta prestanda som byggnadsarbeten kräver.
När elektrifieringen fortsätter att omforma bygglandskapet kommer systemdesigners och ingenjörer att spela en central roll i övergången. Genom att anamma ny teknik och samarbeta med lösningsleverantörer som förstår både utmaningarna och möjligheterna kan branschen lägga grunden för en renare och smartare arbetsplats.
Om Parker Hannifin
Parker Hannifin är ett Fortune 250-företag som är globalt ledande inom rörelse- och styrteknik. Under mer än ett sekel har företaget möjliggjort tekniska genombrott för en bättre morgondag. Mer information finns på www.parker.com eller @parkerhannifin.
