Konventionella mobila hydraulsystem har ofta låg verkningsgrad som beror på deras design- och driftsprioriteringar, vilka gynnar faktorer som låg investeringskostnad, ökad produktivitet och hög robusthet framför att uppnå hög verkningsgrad.
– De prioriteringarna förändras dock i takt med den ökande vikten av att undvika utsläpp av växthusgaser samt ökande energikostnader. Forskning om många olika lösningar för att öka energieffektiviteten pågår, inklusive energiåtervinning och minskning av strypningsförluster. Elektrifiering av mobila maskiner är en betydande del av den trenden.
Både möjligheter och utmaningar
I mobila arbetsmaskiner byts förbränningsmotorer därför i allt större utsträckning mot elmotorer med huvudsyfte att minimera CO2-utsläppen.
– Samtidigt medför byte till eldrift både möjligheter och utmaningar för hydraulsystemen. Exempelvis är inte den låga verkningsgraden hos konventionella hydraulsystem acceptabel på grund av storleken och kostnaden för batterierna som skulle krävas. Genom att nyttja elektriskt drivna pumpar, elektrohydrauliska energiomvandlare, möjliggörs varvtalsstyrning, energiåtervinning och nya systemarkitekturer med mer flexibel styrning, förklarar Thomas Heeger.
Oftast görs det genom att koppla ihop hydraulsystem och elmotorer som redan finns på marknaden.
– Ett problem med det är att konventionella hydraulikmaskiner, hydraulpumpar och -motorer, ofta inte är optimerade för att kombineras med elmotorer vilket gör att det finns möjligheter till förbättringar.
I hans avhandling fokuserar han på två förbättringsområden – utveckling av hydraulmaskiner som bättre matchar egenskaperna hos elmotorer samt integration av hydraulmaskin med elmotorer.
– Elektrisk drivning ställer nya krav på hydraulmaskiner, bland annat högre verkningsgrad, bredare varvtalsområde, både lägre och högre, minskade ljudemissioner samt multikvadrantkapacitet för energiåtervinning och ökad systemflexibilitet. Variabelt deplacement kan också vara önskvärt då det kan minska storleksbehovet för elmotorn, men förluster relaterade till deplacementstyrning bör minskas. Min forskning syftar till att stödja utvecklingen inom de områdena.
Kombinerar elmotor och pump i en enhet
En ambition under doktorandprojektet har varit att hitta ett sätt att göra kombinationen av elmotor och hydraulsystem mer kompakt.
– De elektrohydrauliska energiomvandlare som idag finns på marknaden kombinerar hydraulsystem och elmotorer genom axiell stapling. Ett alternativ till det är radiell integration av hydraulsystemet i centrum av elmotorn. Ett annat alternativ är att nyttja en växellåda mellan hydraul- och elmaskinen, vilket möjliggör en minskning av elmotorns dimensioner.
Om man installerar hydraulsystemet i centrum av elmotorn får man en kompaktare enhet med flera fördelar.
– För mobila arbetsmaskiner är det en klar fördel om det tar mindre plats då minskning av både volym och vikt är fördelaktigt där. En kompakt enhet, med motor och hydraulsystem i ett, ger också större möjligheter till mer decentraliserade hydraulsystem. I dag körs ofta flera cylindrar från samma pump vilket ger en del samkörningsförluster. Verkningsgraden skulle öka om man placerade flera mindre kompakta motor/pump-enheter på varje ställe där hydraulkraft behövs, i stället för en större central hydraulikenhet.
Tagit fram en kompakt prototyp
I sitt arbete har han valt att placera hydraulikpumpen i utrymmet i centrum av elmotorn som inte bidrar till att skapa moment.
– En av fördelarna med elektrifieringen är att man kan nyttja elmotorns egenskaper till att fungera både som motor och generator. I en hydraulikpump omvandlas mekanisk energi till hydraulisk och det går också att göra det motsatta, att omvandla hydraulisk energi till mekanisk. Dock kan man inte helt utnyttja den sistnämnda funktionen om systemet drivs av en dieselmotor. Att använda en elmotor i stället innebär därför nya möjligheter till energiåtervinning i systemet. En annan fördel med elmotorn är att kunna leverera ”power on demand”, att bara behöva låta motorn gå då systemet behöver energi.
Han har under sitt doktorandprojekt samarbetat med Volvo CE som har byggt en prototyp de ska testa.
Hydrostatiska fickor möjliggör lägre hastigheter
Ett av problemen som uppstår när man byter dieselmotorn mot en elmotor är att det är svårt att utnyttja elmotorns fördelar med flexibelt varvtal då hydraulsystemet inte alltid tål att köras på låga hastigheter.
– För att inte komponenterna i hydraulsystemet ska slitas för mycket behövs en tunn oljefilm mellan dem, vid låga hastigheter är det svårt att få till den filmen. Vi har simulerat att använda hydrostatiska fickor i gränssnittet mellan ventilskivan och cylindertrumman vilket kan öka effektiviteten och undvika slitage vid mycket låga hastigheter.
Thomas Heeger har haft ett samarbete med ett universitet i USA och varit där under en period för att med hjälp av dem bygga ett avancerat simuleringsverktyg där de testat modeller och kunnat se positiva effekter av att använda hydrostatiska fickor.
– De gör att pumpen kan köras med lägre hastigheter och på det sättet jobba med elmotorn vid mer varierande hastigheter.
Ljudet från hydraulsystemet blir ett problem
Ytterligare en aspekt som behandlas i hans avhandling är det kombinerade ljudet från hydraulsystemet då man bytt ut dieselmotorn mot en elmotor, ett område som ännu inte är väl undersökt.
– Upplevelsen av ljud är komplicerat, om det är besvärande beror på flera faktorer, inte bara höga decibeltal. Det arbete jag gjort under arbetet med avhandlingen kan ses som en utgångspunkt för fortsatta studier av bullerbilden genom att ge bakgrundsinformation om ljudkällor och harmoniska frekvenser för respektive elmotorn och hydraulsystemet.
Buller är en av de största utmaningarna för elektrifieringen av hydrauliska system för mobila arbetsmaskiner. Utan maskeringsljuden från en förbränningsmotor blir det distinkta ljudet från hydraulikpumpen mer hörbart och behöver därför minskas. En av de saker han genomfört är att han har låtit folk lyssna på ljudfiler han spelat in från simuleringsresultat av olika elektriskt drivna pumpkonfigurationer, till exempel hastighetsreglering, deplacementsreglering och multipump.
– Ljudbilden för de olika system skiljer sig ganska mycket. Det är dock inte klart vilket system låter bäst eller sämst. Det blev dock ganska tydligt att högre varvtal – som man vill ha för att kunna minska komponentstorlekar – leder till större utmaningar för ljudet.
Medan elmotorer är betydligt mindre bullriga än hydraulpumpar kännetecknas bullerspektrumet också av smalbandiga emissioner vid distinkta frekvenser. Förutom att minimera bullerbidragen från varje komponent, bör interaktionen mellan komponenterna vara sådan att bullret minimeras.
– Samspelet mellan hydraulpumpar och elmotorer när det gäller bullergenerering är dock ännu inte helt undersökt, det behövs vidare studier för att få en fullständig bild av det, avslutar Thomas Heeger.
