Optimierung von Hydraulikpumpen für batterieelektrische Maschinen

Mobile Arbeitsmaschinen

Optimierung von Hydraulikpumpen für batterieelektrische Maschinen

Anzeige
Technisch ausgereifte Hydraulikpumpen und -motoren spielen ihr ganzes Können bei mobilen Arbeitsmaschinen klassischerweise in Kombination mit Dieselmotoren aus. Die ausgereiften Lösungen stoßen jedoch bei neuen Anwendungen, in denen es um die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und insbesondere um batterieelektrische Maschinen geht, an ihre Grenzen. Das zeigt sich in nahezu allen anwendungskritischen Faktoren: von Anlaufverhalten über Geräuschpegel bis hin zum Wirkungsgrad. Auf der Bauma wird Bucher Hydraulics eine neue Hydraulikpumpe vorstellen, an einigen Forschungsergebnissen hierzu lässt uns das Unternehmen jetzt schon teilhaben.

Inhaltsverzeichnis

1. Teure Kompensation der Verlustleistung
2. Hohes Geräuschniveau in der Anwendung
3. Drehzahl und Druck als kritische Faktoren
4. Energieverluste im Motorbetrieb
5. Problematisches Anlaufverhalten des Motors

 

Batteriekapazität ist teuer und erfordert deshalb deren effiziente Nutzung. In wie weit dies gelingt, hängt jedoch stark von den einzelnen Komponenten im System ab. Aktuelle Elektrifizierungsprojekte bestätigen deutlich die hohe Effizienz elektrischer Antriebe. Verglichen damit hinkt die Hydraulik aufgrund ihres Wirkungsgrads hinterher, der für diese Anwendungen nicht optimal ist. Beim Einsatz einer einfachen, kostengünstigen Pumpe kommt es zu einer hohen Verlustleistung, die zu Lasten der Batterie geht. So ist wertvolle Kapazität nur zum Ausgleich der Verlustleistung erforderlich, das heißt, sie muss zwangsläufig in nutzlose Wärme umgewandelt werden.

Teure Kompensation der Verlustleistung

Wie sich der Wirkungsgrad einer Hydraulikpumpe und deren Verlustleistung auf Kosten und Emission auswirken, zeigt das Rechenbeispiel einer Pumpe mit einem Verdrängungsvolumen von 80 cm3/U bei 250 bar Betriebsdruck:

  • Pumpe 80 cm³/U mit 250 bar, 1.500 U/min, η (Pumpe) = 0,85, PVerlust = 8,8 kW an der Welle

Die Verlustleistung der Hydraulikpumpe muss vom Elektromotor zusätzlich aufgebracht werden, das heißt:

  • η (E-Motor + Umrichter) = 0,92 Verlustleistung PVerlust = 9,5 kW an der elektrischen Einspeisung.

Nach einer Laufzeit von 1.000 Stunden sind dies 9.500 kWh.

Berechnet mit dem CO2-Emissionsfaktor des Umweltbundesamtes von 2017 entsteht somit eine Emission von 5102 kg CO2, wobei das System nur „mit sich selbst“ beschäftigt ist, das heißt bis hier werden lediglich die wirkungsgradbedingten Verluste ausgeglichen. Neben der erhöhten Emission schlägt sich die Kompensation der Verlustleistung an der Hydraulikpumpe natürlich auch auf die Kosten nieder:

  • 1000 h á 0,15 €/kWh = 1425,00 €

Hohes Geräuschniveau in der Anwendung

Axialkolbenpumpen erzeugen konstruktionsbedingt einen hohen Geräuschpegel. Die pulsierende Förderung des Druckmediums mit ihren stark schwankenden internen Wechselkräften führt zu Gehäusevibrationen, und diese setzen sich schließlich in Vibrationen der Maschine fort. Daraus resultiert ein hohes Geräuschniveau in der Anwendung. Die Problematik der physikalischen Pulsation wird beim ursprünglich vorgesehenen Einsatz der Hydraulikpumpen mit Dieselmotoren kaum wahrgenommen. Das ändert sich grundlegend bei Anwendungen mit leisen Elektromotoren, wo die charakteristische Lautstärke auf äußerst unangenehme Art und Weise in den Vordergrund tritt und von Endanwendern keinesfalls akzeptiert wird. Sie fordern stattdessen eine möglichst geringe Geräuschemission sowohl bei hohen Druck- als auch Drehzahlbereichen. Sekundärmaßnahmen zur Schalldämmung sind zwar möglich, jedoch immer mit zusätzlichem Aufwand, höherem Bedarf an Bauraum und weiteren Kosten verbunden. Das ist im stationären Maschinenbau zuweilen unumgänglich, in der Mobilhydraulik aber aufgrund der geringen Platzverhältnisse nahezu undenkbar.

Drehzahl und Druck als kritische Faktoren

Gleiches gilt für geringe Umdrehungen, da drehzahlvariable Pumpen bei hohem Druck eine gewisse Mindestdrehzahl erfordern, um einen hohen Verschleiß durch Mischreibung zu verhindern. Das zeigt sich vor allem beim Positionieren von schweren Lasten, wo nur ein geringer Volumenstrom bei hohem Druck präzise Arbeitsfunktionen gewährleistet. Hierbei ist die Drehzahl ein wichtiges Kriterium zum Aufbau von Schmierfilmen. Allerdings muss aufgrund der unteren Drehzahlgrenze (bis zu 1000 U/min) zu viel gefördertes Öl über einen Bypass abgeleitet werden, weshalb bei hohem Druck große Verluste entstehen. Auch diese Verluste müssen von der Batterie ausgeglichen werden und gehen als nutzlose Wärme zu Lasten von deren Kapazität. Nicht zuletzt kann ein hoher Druck von 350 bar, wie er in mobilen Arbeitsmaschinen gefordert wird, mit einfachen Außenzahnradpumpen nicht erzielt werden.

Energieverluste im Motorbetrieb

Ähnlich kritisch ist die Situation der Pumpe im Motorbetrieb. In Zeiten, in denen Energieeffizienz eines der wichtigsten Themen ist, macht sich der Wirkungsgrad des Hydrauliktriebwerks aufgrund seiner unzureichenden Energierückgewinnung nicht gerade beliebt. Die Verluste bei der Nutzung potenzieller Energie (zum Beispiel gehobene Masse) bis zum Energiespeicher sind dafür zu hoch, so dass letztendlich zu wenig Energie an der Batterie ankommt.

Problematisches Anlaufverhalten des Motors

Zu den negativen Merkmalen, die den Einsatz bei hydraulischen Antrieben erschweren, zählt auch das Anlaufverhalten der Hydraulikmotoren, insbesondere denen in Schrägscheibenbauweise: Das Triebwerk ist zunächst verspannt und befindet sich in Haftreibung, bevor es sprunghaft in die Bewegung übergeht. Dieser Vorgang ist in der Anwendung problematisch und wirkt sich beispielsweise beim schwierigen Positionieren einer Last anhand einer Hubwinde störend aus. Zudem sind die sehr geringen Drehzahlen mit Drehmomentpulsationen überlagert. Das kann wiederum zu Schwingungen in empfindlichen Maschinen führen und somit Sekundärmaßnahmen erforderlich machen. Nicht zuletzt ist der benötigte Bauraum ein Manko: Die hohen, nicht-kompensierten Kräfte von Schrägachsenmotoren können nur anhand von überdimensionalen Wälzlagern aufgenommen werden. Dies vergrößert den Platzbedarf in der Maschine, so dass eine Integration schwer ist.

In Summe besteht bei Hydraulikpumpen und -motoren nach wie vor dringender Optimierungsbedarf in Bezug auf deren Wirkungsgrad, Geräusch, Bauraum und variable Drehzahlen, um die hohen und zukünftig noch weiter steigenden Anforderungen an mobile Arbeitsmaschinen erfüllen zu können. eve

www.bucherhydraulics.com

Die Bauma-Trends von elektromobilen Arbeitsmaschinen: hier.pro/b0gRa

Bauma 2019: Halle A3, Stand 103

Hannover Messe 2019: Halle 23, Stand B47

Anzeige

Video aktuell

Roland Lenzing, geschäftsführender Gesellschafter erläutert den neuen Kabelkanal VARiOX und welche Vorteile der Anwender damit hat.

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

Top-Thema Spannvorrichtungen

Spannvorrichtungen

Alles über Spannvorrichtungen und welches Einsparungspotenzial sie bieten

Top-Thema Schaltschränke

Alle Infos über den Schaltschrankbau mit seinen Komponenten, Geräten und deren Verdrahtung

Kalender

Aktuelle Termine für Konstrukteure

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de