Digitaliserings- og elektrificeringsudfordringer inden for design af mobile maskiner
Digitaliserings- og elektrificeringsudfordringer inden for design af mobile maskiner
Af: Nils Henriksson, EMEA – Mobile Centre of Excellence Manager – Parker Hannifin
Det globale engagement i at begrænse virkningerne af klimaændringer har affødt mange initiativer på tværs af forskellige brancher. Lande, brancher og virksomheder har vedtaget handlingsplaner for at nå specifikke miljømål. For eksempel udgav Pernilla Bergmark, der på daværende tidspunkt var Principal Researcher ICT Sustainability Impacts hos Ericsson, en artikel med titlen: “Halving global emissions by 2030 through exponential climate action and digital technologies” på Global Climate Action Summit i 2019 efter Paris-aftalen fra december 2015[1]. Overgangen til bæredygtige energikilder til mobile maskiner udspringer af denne globale indsats mod at opnå Net Zero.
Denne artikel diskuterer de vigtigste temaer for elektrificering og digitalisering inden for design af mobile maskiner. Elektrificering bidrager til branchens bæredygtighed gennem reducerede CO2-emissioner. Digitalisering gør det muligt for fabrikanter af originalt udstyr (OEM’er) at optimere deres maskindesign og ydeevne på baggrund af batterikapacitetsbegrænsninger sammenlignet med energiindholdet i dieselolie.
Bæredygtighed
Tilsynsmyndigheder i hele verden opstiller strengere emissionsstandarder for højtydende maskiner for at nå de globale bæredygtighedsmål. Euro 6 er i øjeblikket den højeste lovgivningsmæssige standard, og mange lande allerede overholder kravene hertil. Fossile brændstoffer er den største kilde til skadelige emissioner, hvilket får OEM’er til at udforske andre brændstofkilder, der fortsat lader dem overholde de strengere emissionsstandarder. Nogle alternativer kræver en minimal ændring af maskiner, mens andre kræver et helt nyt design.
Alternativer til diesel såsom hydrogeneret vegetabilsk olie (HVO100) kan blandes med diesel, så man kan reducere emissioner uden at ændre på maskinen på nogen måde[2]. På den anden side gør li-ion-batterier det muligt at overgå fra fossile brændstoffer fuldstændigt, samtidig med at man næsten opnår nulemission[3]. Li-ion-batterier optager dog betydelig plads på en maskine og kræver regelmæssig genopladning. Med brintdrevne brændselsceller får man fordelene ved elektrificering med en højere energitæthed end ved li-ion-batterier[4]. Brintbrændselsceller er en mere kompakt løsning end li-ion-batterier til at drive større maskiner, men der er udfordringer med at lagre og distribuere store mængder brint.
Parker Hannifin leverer modulære elektrificeringsløsninger til at imødekomme ønsket om energialternativer til vores kunder. GVI-serien af globale køretøjsinvertere og GVM-serien af globale køretøjsmotorer er centrale for disse løsninger:
- GVI-mobilinvertere har et driftsområde på 200 V til 800 V og fås i tre modeller med amperetal på henholdsvis 360 A, 180 A og 108 A. Som en vigtig del af sikkerheden for elektrificerede mobile maskiner opfylder GVI-inverterne både EN ISO13849 og ISO26262.
- GVM-mobilmotorer er PMAC-motorer (Permanent Magnet Alternating Current) med et driftsområde, der er tilpasset til GVI-inverterne. GVM-motorerne har et maksimalt drejningsmoment på 1430 NM, en maksimal effekt på 409 kW og en tophastighed på 9.500 o/min.
Digitalisering
Mobile maskiner bruger energi, men kun en lille del af denne energi omdannes til nyttigt arbejde. Det er vigtigt at vide, hvor meget energi, der bruges, og til hvilket formål, under maskinens drift. Ingeniører bruger energikort til at analysere energiforbruget i hver fase af en arbejdscyklus. Denne proces gør det muligt for dem at identificere energitab og optimere deres design med henblik på energieffektivitet. Man kan også undersøge mulighederne for energigenvinding for at maksimere batterilevetiden i elektriske mobile maskiner.
Det centrale i en digital løsning er den mobile enheds kontrolsystem, der bruger et modelbaseret funktionsmiljø til at forbinde en lang række diskrete sensorer for at opfylde behovet for funktionelle sikkerhedsløsninger. Disse controlleres output har forbindelse til smartenheder, der driver maskinens elektromekaniske systemer med optimalt strømforbrug og inden for sikre grænser.
Her er nogle af Parkers hovedprodukter, der bidrager til digitaliseringen af mobile maskiner:
- VA-mobilventiler er næste generations ventilserie med lavere tryktab end traditionelle belastningsfølerventiler, hvilket sparer energi. Smarte softwarefunktioner muliggør forbedret produktivitet, og individuel måling hjælper også med at forbedre effektiviteten. Undersøgelser viser, at smartventiler med individuel måling sænker pumpetrykket med 11 % og reducerer energiforbruget med 8,4 % sammenlignet med traditionelle belastningsfølerventiler til samme maskinproduktivitet.
- Hydraulisk variable P1M-mobilpumper dækker et slagvolumenområde fra 28 cc til 85 cc i fem forskellige modeller. Den højtydende elektroniske kontrolfunktion til slagvolumen leverer præcist den mængde strøm, der er brug for på et givent tidspunkt.
Synergien mellem elektrificering og digitalisering
Elektrificering og digitalisering går hånd i hånd ved at optimere samspillet mellem elektromekanisk og hydraulisk systemdesign. Det betyder, at der frigives den nøjagtige mængde kraft, der kræves til hydraulikfunktionen, på det nøjagtige tidspunkt hvor der er brug for den. Genvundet energi genoplader batteriet for at forlænge dets driftstid, før det skal genoplades.
Hver komponent i en løsning til elektrificeringen af mobile maskiner har sin egen funktion, men fordelene kan optimeres ved at kombinere disse komponenter i et samlet system, der er designet til at fungere sammen. En konfigureret ePump-løsning er for eksempel et højeffektivt system, der indeholder en inverter, motor og hydraulisk pumpe. ePump giver en høj dynamisk reaktion over et bredt område af hastigheds- og momentstyring. Designere kan optimere effekttætheden i hele arbejdscyklussen samt væskekølingskapaciteten i hele systemet.
Softwareværktøjer kan også lette systemdesigns ud fra et fleksibelt maskinlayout. For eksempel er det mere effektivt at overføre energi elektrisk end hydraulisk. Dette kan føre til separate elektriske motorer for hver aksel på en mobil maskine i stedet for én motor, der er forbundet til begge aksler.
Når maskinen er idriftsat, bruger controllere sensoroplysninger om temperatur, tryk og flow i de hydrauliske kredsløb og det elektriske system til at generere optimerede output, der styrer de elektriske motorer. Digitalisering får med andre ord det elektromekaniske system til at betjene hydraulikken på den mest energieffektive måde.
Elektrificeringspartnere
Mobile maskiner har eksisteret i deres samme grundlæggende form i årtier med dieselmotorer, der driver hydrauliske pumper. Overgangen til elektrificering er et nyt område for mange OEM’er, der ikke har den dybtgående ekspertise inden for komponenter eller de tilgængelige ressourcer til at håndtere overgangen. OEM’er har derfor brug for partnere, der kan levere den ekspertise, de har brug for, og fremskynde deres time-to-market for elektrificerede modeller af deres mobile maskiner.
Parker har været involveret i hydrauliske systemer i 100 år og har gennem årene opnået dyb indsigt i det funktionelle design af mobile maskiner. Produktsortimentet modsvares af ekspertise i at designe systemer, der som en helhed arbejder på at opnå maskiners arbejdscyklus på mange forskellige anvendelsesområder.
Løsninger fra Parker dækker alle aspekter af elektrificeringen og digitaliseringen af mobile maskiner. Et typisk projekt starter med en grundig evaluering af kundens mål og den eksisterende maskinydelse. Parkers tjenester omfatter den enkle migrering fra ICE-motorer til elektriske motorer samt gennem energikortlægning og dataanalyse for at give maskinen et nyt design med henblik på energioptimering.
Virksomhedens ekspertise kommer fra forskellige brancher, herunder flyindustrien. På baggrund af denne virksomhedserfaring har Parker udviklet modulære byggesten og forenklede grænseflader til styring, der let kan anvendes på mobile maskiner. På denne måde kan Parker hjælpe OEM’er med at reducere time-to-market for elektrificerede maskiner.
Opsummering
Målet mod at opnå Net Zero er en global nødvendighed, der får stor opmærksomhed i hele verden på tværs af en bred vifte af brancher. Mobile maskiner er ingen undtagelse, hvor mange OEM’er udvikler elektrificerede modeller af deres ICE-maskiner.
Elektrificeringsløsninger bidrager til bæredygtighed men skal kombineres med digitalisering for at maksimere fordelene ved energieffektive designs og reducere time-to-market. Parker har årtiers erfaring inden for elektromekanisk og hydraulisk systemdesign samt ekspertise inden for elektrificering og digitalisering, der gennem årene kun er blevet dybere inden for en række forskellige brancher. Det gør Parker til den ideelle partner til at hjælpe OEM’er med at komme videre i deres overgang til elektriske mobile maskiner.
[1] https://www.un.org/en/climatechange/2019-climate-action-summit
[2] https://ebb-eu.org/news/ebb-position-on-the-eu-long-term-strategy-clean-planet-for-all/
[3] https://www.energy.gov/energysaver/articles/how-lithium-ion-batteries-work