Unter dem Betonmischwerk befinden sich die Batterien. (Bild: Hawe)
Das Thema Elektrifizierung ist im Markt für Off-Highway- und Nutzfahrzeuge angekommen. Getrieben von Megatrends wie Nachhaltigkeit und Urbanisierung stehen Maschinenhersteller vor der Herausforderung, neue, batteriebetriebene Fahrzeugkonzepte zu entwickeln. Im Fokus stehen neben dem Traktionsantrieb eine neu gestaltete Arbeitshydraulik sowie eine verbesserte Akustik. Denn die Praxis zeigt, dass punktuelle Anpassungen am bestehenden Fahrzeug wenig sinnvoll sind. Aus wirtschaftlicher Sicht interessanter ist es, das Fahrzeugkonzept in seiner Gesamtauslegung neu zu überdenken.
Die große Herausforderung ist das Thema Energieeffizienz. Denn in der klassischen Dieselwelt waren hydraulische Antriebs- und Steuerungslösungen weniger auf Effizienz, als auf niedrige Initialkosten ausgelegt. Die richtige Entscheidung, solange der Dieselmotor die erforderliche Energie zu jeder Zeit und in ausreichender Menge zur Verfügung stellte.
In einer elektrifizierten Welt, in der die Batterien der signifikante Kostentreiber sind, wandelt sich das. Eine auf Effizienz getrimmte Arbeitshydraulik sorgt für eine größere Reichweite des Antriebs. Ein entscheidender Faktor, auch weil Anwender beim Umstieg auf elektrifizierte Arbeitsmaschinen kaum bereit sind, Kompromisse in Sachen Performance einzugehen.
Das Unternehmen: Hawe Hydraulik
Hawe Hydraulik SE setzt mit seinen effizienten und kompakten Antriebs- und Steuerungslösungen auf die Leistungsdichte der Hydraulik. Diese Technologie ist dank elektronischer Ansteuerung, moderner Schnittstellen und Offenheit für die genutzte Antriebsart universell einsetzbar. Getreu dem Motto Solutions for a world under pressure leisten wir damit in unzähligen Branchen einen Beitrag zu nachhaltigem Wirtschaften und energieeffizienten Maschinen.
Zusammen mit der 100-prozentige Tochter Hawe Mattro GmbH bietet das Unternehmen alles rund um das Thema Elektrifizierung von mobilen Arbeitsmaschinen sowie der dazugehörigen Hydraulik. Gemeinsam mit dem Vertriebs- und Servicenetzwerk der Hawe-Gruppe bieten die Ingenieure weltweit alles aus einer Hand – von kompetenter Beratung, passender Komponentenauswahl, Prototypen bis hin zum Serienprodukt. Am Standort Schwaz (Österreich) werden modular aufgebaute Lithium-Ionen-Batteriepacks, innovative Batteriesysteme sowie das dazu passende Zubehör entwickelt und produziert.
Die hauseigene elektrische Roboterplattform kann über ein breites Netzwerk an langjährigen Partnern zu einer autonom fahrenden und vielseitig einsetzbaren Off-Highway-Arbeitsmaschine ausgebaut werden.
Komponenten für Elektrifizierung
Um den skizzierten Herausforderungen zu begegnen, ist neben der optimalen Auslegung des Gesamtsystems entscheidend, die richtigen Komponenten zu verwenden.
1. Der Elektromotor
Der Elektromotor ist die zentrale Energiequelle, sowohl für den Traktionsantrieb, als auch für die Arbeitshydraulik. Klassischerweise in der Industrie verwendete Drehstrom-Asynchronmotoren sind für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen nicht geeignet. Hier kommen permanenterregte Synchronmotoren (PSM) zum Einsatz, da sie deutlich leistungsstärker und kompakter sind. Sie ermöglichen dank der Dauermagnete hohe Wirkungsgrade, insbesondere im Teillastbereich und haben einen reduzierten Strombedarf. Zudem können Umrichter und elektrische Leitungen kleiner dimensioniert werden, was Gewicht und Einbauraum weiter reduziert. Allerdings sind sie deutlich teurer als klassische Drehstrom-Asynchronmotoren. Wir sprechen hier von einem Faktor fünf bis zehn.
2. Der Umrichter
Hauptaufgabe des Umrichters ist, die Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung umzuwandeln, deren Amplitude und Frequenz veränderbar ist, so dass eine Drehzahlregelung des Motors ermöglicht wird. In der Abstimmung zwischen elektrischer Maschine und Umrichter auf den konkreten Einzelfall steckt sehr viel technisches Know-how, so dass an dieser Stelle nicht auf Details eingegangen werden kann. Insgesamt aber ist festzuhalten, dass es grundsätzlich sinnvoll ist, auf modular aufgebaute Umrichter zu setzen, so dass bei Bedarf weitere Wechselrichter nachgerüstet werden können. Sie müssen mobiltauglich sein, was die Schutzart betrifft. Und sie sollten über digitale Schnittstellen ansteuerbar sein. Umrichter sind als Stand-alone Lösung erhältlich, können aber auch als Komplettset, bereits in den Motor integriert, bezogen werden. Einige Anbieter setzen dabei auf Plug & Work. Das hat für den Anwender den Vorteil, dass sie schnell und unkompliziert verbaut werden können.
3. Pumpen
Kernstück der Hydraulik ist die Pumpe. Hierfür können sämtliche bekannten Hydraulikpumpen verwendet werden. Die optimale Wahl hängt vom geplanten Einsatzfall ab. Schwere Lasten erfordern Drücke über 350 Bar und damit eine Hochdruckpumpe. Reichen niedrigere Drücke, können Mitteldruckpumpen verwendet werden. Die geplante Anwendung bestimmt, ob eine Konstantpumpe oder eine Verstellpumpe die bessere Wahl ist. Konstantpumpen fördern, wie der Name sagt, eine konstante Fördermenge in Abhängigkeit der Motordrehzahl. Für eine veränderte Fördermenge muss die Drehzahl der E-Maschine variiert werden. Das ist möglich, funktioniert aber langsamer und zeitverzögerter als bei einer Verstellpumpe, bei der die Fördermenge pumpenintern angepasst werden kann.
Ein schnelles Verstellen mit kurzen Reaktionszeiten, wie es die Bedienung per Joy-Stick erfordert, ist meist nur über eine pumpeninterne Verstellung erreichbar. Erweist sich eine Konstantpumpe im Mitteldruckbereich für die Anwendung als ausreichend, kann über den Einsatz einer Innenzahnradpumpe nachgedacht werden, da diese deutlich geräuschärmer arbeitet.
Checkliste für die erfolgreiche Durchführung von Elektrifizierungsprojekten
- Sorgfältige Wahl des Elektrifizierungspartners
- Einbinden des Elektrifizierungspartners bereits in einer sehr frühen Projektphase
- Möglichst ganzheitliche (Neu-)Gestaltung der Systemarchitektur
- Eine für das jeweilige Einsatzgebiet individuell zugeschnittene Lösung entwickeln
- Sorgfältige Auswahl der Komponenten: Prototypen aufbauen, prüfen, validieren und ggfs. nachbessern
- Überführung des Prototypens in die Serienproduktion
Zusammenspiel Verstellpumpe, Ventiltechnik und CAN-Bus
Für das Zusammenspiel von Pumpen und Ventilen empfiehlt Hawe elektronische Load-Sensing-Systeme kombiniert mit Flow-Sharing. Diese Kombinationen aus Verstellpumpe und Steuerblock beziehungsweise Wegeventilen, ergänzt um elektronisches Flow-Sharing, gehören zu den effizientesten Antrieben in der Hydraulik. Pumpen und Ventile werden über einen CAN-Bus angesteuert und geregelt. Über Druck- und Temperatursensoren, zusammen mit einem Steuergerät und der passenden Software, werden Standby- und Überschuss-Druck jederzeit optimal an die jeweilige Anwendung angepasst. Die Drehzahlanpassung des Motors gepaart mit einer Schwenkwinkelregelung der Pumpe ermöglicht den Betrieb im jeweiligen Wirkungsgrad-Optimum. Das elektronische Flow-Sharing sorgt dafür, dass sämtliche Funktionen sicher ausgeführt werden, auch dann, wenn es im System zu einer Unterversorgung im Gesamtdurchfluss kommt.
Batterien
In Sachen Batterien ist Bewegung am Markt. Wir empfehlen, auf Lithium-Ionen-Batteriepacks zu setzen, die speziell für den Einsatz in Off-Highway-Arbeitsmaschinen konzipiert wurden. Sie sind für den Antrieb der Arbeitshydraulik wie auch als Traktionsbatterie einsetzbar. Die Batteriepacks von HAWE Mattro beispielsweise werden mit Antriebs-Spitzenleistungen im Bereich zwischen zehn und 100 Kilowatt eingesetzt. Sie sind speziell für den Dauerbetrieb und einen langen Lebenszyklus ausgelegt, eignen sich aber auch hervorragend für die Entwicklung von Prototypen. Als Einzelakkus werden sie mit Industrie-Steckverbindern direkt angeschlossen.
Alternativ besteht die Einsatzmöglichkeit als Wechselbatterie mittels eines Schnellwechselsystems. Wechselakkus haben den Vorteil, dass Arbeiten und Laden parallel erfolgen kann. Zudem kann auf Kapazitätsspitzen im Ladeprozess reagiert werden. Sie können außerhalb der Spitzenbelastungszeiten und damit gegebenenfalls günstiger geladen werden. Von Vorteil sind auch Batteriepacks, die parallel zu sogenannten Clustern verschaltet werden und damit perfekt an die verschiedensten Anforderungen angepasst werden können.
Rovo-Plattform von Hawe
Neben diesen Standard-Produkten gibt es Spezialprodukte, die für besondere Einsatzgebiete entwickelt wurden. Ein gutes Beispiel dafür ist die Rovo-Plattform von Hawe Mattro. Dabei handelt es sich um eine Roboterplattform auf einem Kettenfahrwerk, voll elektrifiziert, mit Micro-Arbeitshydraulik (Fronthubwerk und Zusatzfunktionen) und Wechselakkusystem. Sie ist bis zu 30 km/h schnell im Gelände unterwegs, kann bis zu 100 Prozent Steigung überwinden oder bis 500 Kilogramm Nutzlast transportieren. Sie wird beispielsweise zur ferngesteuerten Geländevermessung, als autonomes Transportfahrzeug oder universell einsetzbares Minifeuerwehr-Fahrzeug eingesetzt.
Power Box
Die Power Box, ebenfalls von Hawe Mattro, ist eine interessante Komplettlösung. Sie enthält, geschützt, in einer kompakt gepackten Box sowohl die Batteriepacks als auch die Motor-Pumpen-Einheit, PDUs, Ladegeräte und die Hydrauliksteuerung. Sie lässt sich fahrzeugspezifisch an die verschiedensten Anforderungen anpassen. Da die Box bereits fertig installiert, angeschlossen und einsatzbereit geliefert wird, gelingt die Inbetriebnahme in kürzester Zeit. Sie kann auch während der Nutzung geladen werden, sofern ein Netzanschluss am Einsatzort vorhanden ist. Optimale Einsatzgebiete sind Ladekräne, Hubarbeitsbühnen oder auch Baumaschinen.
Projektierung einer Elektrifizierung
Jedes Elektrifizierungsprojekt ist individuell. Abhängig vom geplanten Einsatzgebiet und dem vorgesehenen Leistungsspektrum der mobilen Arbeitsmaschine, gibt es die unterschiedlichsten Lösungen. Dennoch lassen sich folgende idealtypischen Schritte im Projekt definieren, um Projektlaufzeiten zu reduzieren und sicherzustellen, das Optimum in Sachen Energieeffizienz zu erreichen.
Schritt 1: Analyse der Ausgangssituation
In ersten Schritt gilt es, Arbeitszyklen zu definieren und festzulegen, was die Maschine leisten muss. Fragen wie beispielsweise „Welche Leistung steht zur Verfügung?“, „Welcher Verbraucher nimmt wieviel auf?“ oder „Welche Arbeitszyklen sind vorhanden?“ sind zu beantworten.
Diese Werte sind optimalerweise im praktischen Einsatz der Maschine mit entsprechendem Messequipment zu erheben. Auf Basis dieser Ergebnisse kann fundiert entschieden werden, wieviel Elektrifizierung in der Arbeitsmaschine erfolgen soll. Wird nur der Antriebsstrang elektrifiziert; Oder soll der Dieselmotor bleiben und nur die Arbeitshydraulik elektrisch angetrieben werden? Oder, als dritte Variante, wird das komplette Fahrzeug elektrifiziert?
Schritt 2: Konzeptphase
Im nächsten Schritt startet die Konzeptphase. Hierbei geht es um die Auswahl der richtigen Komponenten für den Traktionsantrieb mit Blick auf eine auf Effizienz getrimmte Arbeitshydraulik mit verbesserter Akustik. Von Vorteil ist, einen Partner zu haben, der das konzeptionelle Know-how in Sachen Elektrifizierung und die erforderlichen Komponenten aus einer Hand liefern kann.
Schritt 3: Prototypenbau
Nachdem die Systemarchitektur definiert ist, wird in Schritt drei ein Prototyp gebaut. Auch Überlegungen, wie eine Überführung in die Serienproduktion gelingen kann, sollten in dieser Phase erfolgen.
Schritt 4: Feintuning
Im letzten Schritt empfehlen wir, die Lastkollektive am Prototypen nochmals zu erheben, um die Optimierung zu validieren bzw. ein eventuelles Feintuning zu ermöglichen. Da viele der Elektrohydraulik-Komponenten bereits über die erforderliche Sensorik verfügen, ist das relativ einfach möglich.
Technik-Wiki: Arbeitsmaschinen elektrifizieren
Definition Arbeitsmaschinen
Als Arbeitsmaschinen gilt eine angetriebene Maschine. Sie nimmt Energie in Form von mechanischer Arbeit auf und kann als Gegenstück zu einer Kraftmaschine gesehen werden, welche über einen Motor oder Antrieb mechanische Energie abgibt. Bei einer Kombination von Arbeits- und Antriebsmaschine wird letztere oft auch der Einfachheit halber nur als Abtrieb bezeichnet. Damit von einer Arbeitsmaschine gesprochen werden kann, muss eine Energieumwandlung stattfinden.
Aufbau von Arbeitsmaschinen
Arbeitsmaschinen erhalten ihre benötigte Energie über eine Mechanik, mit der sie mit dem Antrieb verbunden sind. Dies geschieht oft über eine Antriebswelle. Ferner kommen noch andere Formen der Energieübertragung wie beispielsweise Ketten, Zahn- und Keilriemen sowie Hebel und Gestänge zum Einsatz. Auch unterschiedliche Arten von Getrieben sind hier zu finden.
Beispiele für Arbeitsmaschinen
In der Praxis sind viele unterschiedliche Arbeitsmaschinen anzutreffen. Hierzu zählen etwa Bagger, Raupen sowie nahezu alle im Bauwesen verwendeten Maschinen. Im Bereich der Landwirtschaft sind Mähdrescher, und Erntemaschinen zu erwähnen. Ferner fallen der wichtige Bereich der Flurförderzeugen, zum Beispiel Gabelstapler und angetriebene Hubwagen sowie Schneepflüge unter diese Kategorie. Auch schienengebundene Arbeitsmaschinen sind häufig zu finden.
Diesel – der (noch) klassische Antrieb
Nach wie vor verfügen die meisten Arbeitsmaschinen über einen Dieselantrieb. Dieser hat den Vorteil dass die Energieversorgung, sowohl auf Firmengelände wie auch abseits davon auf Baustellen über einfaches Nachtanken ohne größere Probleme zu bewerkstelligen ist. Bedenklich sind hier allerdings Emissionen in Form von Lärm und Abgasen. Dies kann vor allem in eng bebauten Bereichen problematisch werden. Deshalb wird schon seit Jahren versucht über Verordnungen die Emissionen zu beschränken. Ein Beispiel hierfür ist die 251HB, die einzuhaltende Abgasstandards für Baumaschinen regelt.
Elektroantrieb – die Zukunft auch für Arbeitsmaschinen?
Möchte man im Bereich der Arbeitsmaschinen hin zu elektrischen Antrieben, ist mehr nötig, als nur den reinen Antriebsstrang zu elektrifizieren. Vielmehr ist ein neues Konzept von Batterie, Elektromotor, Umrichter und auch Hydraulik vonnöten. Dabei darf nicht vergessen werden, dass vor allem Batterien und Akkus derzeit Kostentreiber sind.
Vorteile des Elektroantriebs
Um sich auf Dauer und langfristig von fossilen Energien verabschieden zu können, ist ein hohes Maß an Elektrifizierung auch bei Arbeitsmaschinen vonnöten. Neben diesen entscheidenden Vorteil sind es vor allem die Emissionen, bei der Elektroantriebe punkten: diese sind nicht nur beim Thema Abgas herkömmlichen Dieselaggregaten klar überlegen, elektrifizierte Arbeitsmaschinen erfüllen zudem ihre Aufgaben auch noch entschieden leiser, was vor allem in besiedelten Gebieten zusätzlich einen enormen Pluspunkt darstellt.
Vorreiter des Elektroantriebs bei Arbeitsmaschinen
Bereits seit vielen Jahrzehnten sind Elektroantriebe bei Flurförderzeugen gang und gäbe. Vor allem Gabelstapler und Hubwagen, die im Inneren von Hallen (aber auch im Freien) arbeiten, verfügen über ausgereifte Batteriesysteme. Entscheidend dabei sind Geräte, die über Schnellladesysteme verfügen, etwa während der Fahrer Pause macht. Auch Wechselbatteriesysteme gehören schon länger zum Stand der Technik.
Beispiel: Spezialprodukt für besondere Einsatzgebiete
Neben dem sehr großen Bereich der Flurförderzeugen gibt es aber auch bereits heute etliche Spezialprodukte für Nischenanwendungen. Hierzu zählt beispielsweise die Rovo-Plattform von Hawe Mattro. Hier wurde für eine Roboterplattform eine Arbeitshydraulik auf einem Kettenfahrwerk montiert. Dabei wird das System über Wechselakkus mit elektrischer Energie versorgt. Die Arbeitsmaschine kann sich mit bis zu 30 km/h fortbewegen, Steigungen bis zu 100 Prozent überwinden oder bei Bedarf 500 Kilogramm Nutzlast bewegen.
Dabei handelt es sich um eine Roboterplattform auf einem Kettenfahrwerk, voll elektrifiziert, mit Micro-Arbeitshydraulik (Fronthubwerk und Zusatzfunktionen) und Wechselakkusystem. Sie wird heute schon etwa zur ferngesteuerten Geländevermessung, als autonomes Transportfahrzeug oder als Minifeuerwehr-Fahrzeug eingesetzt.
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