O+P Fluidtechnik 9/2020

HYDRAULIKSTEUERUNG

HYDRAULIKSTEUERUNG ELEKTRISCHE ANTRIEBE UND HYDRAULIK: GESAMTWIRKUNGSGRAD OPTIMIERT Die Anforderungen an elektrifizierte mobile Arbeitsmaschinen zur CO 2 -Reduktion sind hoch. Für einen Betrieb mit geringen Verlusten braucht es aber nicht nur effiziente elektrische Antriebe, sondern auch eine effiziente Hydrauliksteuerung PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Die EU mit der Initiative „Green Deal“ und die deutsche Bundesregierung mit der „Energieeffizienzstrategie 2050“ haben politisch vorgegeben, dass CO 2 -Emissionen deutlich zu reduzieren sind. Das wird die technische Entwicklung auch im Bereich der Antriebstechnik in den nächsten Jahren stark beeinflussen. Die Folge wird sein, dass zunehmend hoch effiziente Antriebssysteme, alternative und hybride Antriebe zum Einsatz kommen werden. Dies betrifft auch mobile Arbeitsmaschinen. Sie werden voraussichtlich mit batteriegespeisten Elektroantrieben, Brennstoffzellen oder Dieselgeneratoren ausgestattet, was wiederum effizientere Komponenten und Systeme für die jeweiligen Arbeitsfunktionen verlangt. STEIGENDE EFFIZIENZANFORDERUNGEN Damit Betreiber wirtschaftlich arbeiten können, müssen auch elektrisch angetriebene mobile Arbeitsmaschinen einige wichtige Kriterien erfüllen. Sie sollen ausreichend lange Betriebszeiten ohne langwieriges Nachladen erreichen sowie – ähnlich wie bisherige Arbeitsmaschinen – zuverlässig und reaktionsschnell bei hohen Leistungen arbeiten. Weiter fordern Betreiber niedrige Geräusch- Autor: Dierk Peitsmeyer, Product Portfolio Manager, Bucher Hydraulics, Klettgau emissionen sowie einen sparsamen Energieverbrauch und überschaubaren Wartungsaufwand. Elektrische Antriebe haben bereits eine hohe Effizienz über ein breites Betriebsfeld. Die heute in mobilen, mit Dieselmotoren angetriebenen Arbeitsmaschinen verwendete Hydraulik arbeitet allerdings nicht ausreichend effizient. Hydrauliksysteme, wie die vielfach im Einsatz befindlichen Loadsensing-Systeme (LS-Systeme) passen sich dem aktuellen Bedarf an Volumen und Druck mithilfe von Verstellpumpen an. Sie erfüllen die Kriterien für elektrifizierte Maschinen allerdings nicht optimal. Axialkolben-Verstellpumpen weisen häufig zu hohe Lärmemissionen auf. Diese Emissionen werden wegen des nicht mehr vorhandenen Dieselmotorgeräuschs in elektrifizierten Arbeitsmaschinen besonders hervortreten. Der Wirkungsgrad von LS-Systemen ist über das gesamte Betriebsfeld nicht optimal. Zudem verursacht die Regeldifferenz unnötige Verluste in den meisten Betriebspunkten. Folglich ist es nicht zielführend, den Dieselmotor gegen einen Elektromotor auszuwechseln und das vorhandene Hydrauliksystem unverändert zu belassen. HYDRAULIKSTEUERUNG, DIE VERLUSTE EINDÄMMT Optimierte Hydrauliksysteme stellen einen guten Kompromiss zwischen hoher Effizienz und niedrigen Kosten dar. Für leistungsstarke 36 O+P Fluidtechnik 2020/09 www.oup-fluidtechnik.de

HYDRAULIKSTEUERUNG POINTIERT EFFIZIENTER ELEKTROANTRIEB ALLEIN NICHT AUSREICHEND OPTIMIERTE HYDRAULIKSYSTEME SPAREN ENERGIE EIN 01 FoD-SOFTWARE REGULIERT HYDRAULIKPUMPE Dieselmotor: Optimaler Betriebspunkt, keine Verluste durch mitgeschleppte Pumpen Energie kann im elektrischen Hybridsystem transferiert, rekuperiert werden. Dieselmotor (e-fuels?) Gleichstrom- Zwischenkreis Zylinder 1 Hydraulischer 2Q-Linearantrieb im offenen Kreis für Antriebe mit Rekuperationspotenzial Brennstoffzelle 01 Das Geräuschniveau der Hydraulikpumpen- Reihe AX ist auch bei hoher Leistung niedrig Batterie, Super Caps Regenerieren, Boosten Hydraulische Steuerung Zylinder 2 Zylinder 3 Hydraulischer 4Q-Linearantrieb im geschlossenen Kreis für leistungsintensive Antriebe mit Rekuperationspotenzial Hydraulischer 4Q-Linearantrieb im offenen Kreis für Antriebe mit Rekuperationspotenzial. 02 Elektrisch-Hydraulische Antriebssysteme optimieren in Kombination den Gesamtwirkungsgrad einer mobilen Maschine Flow on Demand-System im elektrischen Hybridsystem für Antriebe mit weniger Leistung und geringerer Einschaltdauer Radantrieb Drehzahl geregelte Radnabenmotoren: Allradantrieb, Kurvenfahrunterstützung, Rekuperationspotenzial beim Bremsen 02 Funktionen mit hohem Potential zur Energierückgewinnung bieten sich Verdrängersteuerungen im geschlossenen Kreis an. Diese 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 (FoD) eine wirtschaftliche Alternative. Hydrauliksteuerblöcke mit getrennten Steuerkanten, wie der Ventilblock LVS12 von Bucher Hydraulics, verringern die Verlustleistung und ermöglichen dynamische Arbeitsfunktionen. In einem elektrischen System mit Gleichstrom-Zwischenkreis können auch Varianten von Elektroantrieben und Hydrauliksystemen jeweils optimal kombiniert werden. So kann die Hydraulikpumpe als Konstantpumpe mit variabler Drehzahl betrieben werden. Auch die Drehzahl des E-Motors ist passend einzustellen. Dafür hat Bucher Hydraulics die FoD-Software entwickelt. Das Programm berechnet anhand der Ventilansteuerkennlinien die jeweils benötigte, optimale Drehzahl. Das FoD-System stellt automatisch – abhängig von der aktuellen Last und den Druckverlusten – den niedrigst möglichen Druck an der Pumpe ein. 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 sehr schnell und direkt, vergleichbar dem Verhalten elektrischer Fahrantriebe. Die Steuerung arbeitet stabil ohne Schwingungen. Außerdem hat die Software zusätzlich Vorteile bei geregelten Funktionen, z.B. für Assistenzsteuerungen. WIRKUNGSRAD DER PUMPE ENTSCHEIDEND 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 kostenintensiver Batteriekapazität und verlängert die erreichbaren Betriebszeiten. Verlustleistungen an der Hydraulikpumpe zu reduzieren, z.B. von 5 auf nur 2,5 kW, trägt spürbar zu einem energieeffizienten Betrieb der Arbeitsmaschinen bei. Durch die Wirkungsgradkette mit E-Motor und Umrichter wird dieser Effekt zusätzlich verstärkt. Für solche Antriebskombinationen empfiehlt Bucher Hydraulics die Hydraulikpumpen der Reihe AX. Sie haben auch bei hoher Leistung ein niedriges Geräuschniveau. Die Pumpen können mit hohem Druck angefahren und bei sehr niedriger Drehzahl betrieben werden ohne vorzeitig und unmäßig zu verschleißen. Durch die geringe Leckage und die hohe Anzahl an Kolben, sind ruckfreie Zylinderbewegungen auch bei niedrigen Drehzahlen ausführbar. Vorteilhaft ist dies insbesondere bei Positionierarbeiten und langen Auslegern. Durch das Konstruktionsprinzip mit konsequenter hydrostatischer Entlastung der Bauteile arbeiten diese Pumpen besonders zuverlässig. In Komibination mit der FoD-Software lässt sich damit ohne Aufwand eine effiziente E-Motordrehzahl generieren. Fotos: Bucher Hydraulics www.bucherhydraulics.com www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2020/09 37