Viele Innovationen sind elektrisch!

Danfoss erkennt den Handlungsbedarf und die Notwendigkeit des technologischen Vorsprungs, um die Klimakrise zu bewältigen, vor der unsere Welt heute steht. Eine sauberere, nachhaltigere Zukunft zu schaffen, steht im Mittelpunkt unserer Werte und spornt unser Team an, innovative Lösungen zu entwickeln, die zu einer besseren Zukunft beitragen. Durch unsere Investitionen in das Danfoss Editron-Portfolio und die Zukunft der Elektrifizierung sind wir zu einem führenden Unternehmen auf dem elektrifizierten Off-Highway-Markt geworden. Unsere Editron-Sparte blickt auf eine langjährige, bemerkenswerte Erfahrung in den Bereichen mobile Arbeitsmaschinen und Hydraulik zurück und verlässt sich auf eine starke Gruppe von Produkten, Werkzeugen und technischen Teams von Danfoss, um die elektrifizierten Technologien von morgen zu entwickeln, von denen Sie – unsere Vertriebspartner –, Ihre Kunden und Endverbraucher richtig profitieren.

Durch jüngste Investitionen in Proof-of-Concept-Fahrzeuge (PoC) und Ressourcen, die speziell für die Entwicklung dieser Lösungen vorgesehen sind, setzen wir uns dafür ein, die Entwicklung von elektrifizierten Off-Highway-Maschinen zu verstehen und zu beschleunigen. In unserem Application Development Center (ADC) in Nordborg, Dänemark, haben wir einen bestehenden 13-Tonnen-Radlader in ein voll batterieelektrisches Fahrzeug umgebaut und unsere Anwendungskompetenz genutzt, um die Zukunft dieser Fahrzeuge und Technologien durch marktführende Innovationen voranzutreiben.

Während die Welt das Ziel von Netto-Null-Emissionen anstrebt, liegt der Fokus auf der Elektrifizierung in allen Arten von Anwendungen, insbesondere bei mobilen Arbeitsmaschinen. Mit einem umfangreichen Portfolio an elektrischen Maschinen und Leistungselektronik decken Editron-Produkte ein breites Spektrum an Fahrzeuggrößen, Subsystemanwendungen und Antriebsarchitekturen ab. Zusätzlich zu unserem Know-how in den Bereichen Hydraulik und mobile Arbeitsmaschinen nutzt Editron jahrelange Anwendungserfahrung, um marktführende Lösungen zu entwickeln.

Die Entwicklung dieser Produkte erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Anwendungen und der Herausforderungen, vor denen die Kunden bei der Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge stehen. Deshalb haben wir in unsere PoC-Maschinen investiert. Bei der Auswahl der Radladeranwendung für das oben genannte Umbauprojekt nahmen wir die Herausforderung an, ein größeres Fahrzeug zu elektrifizieren, mit dem Ziel, seinen Kraftstoffverbrauch deutlich zu senken. Radlader sind eine gängige Anwendung. Jährlich werden große Mengen dieser Fahrzeuge produziert. Durch die Weiterentwicklung des Designs und der Systemarchitektur des Radladers sollte eine Wirkung erzielt werden, die auf dem gesamten Markt skalierbar ist und den größten Nutzen aus der Elektrifizierung bietet. Diese Erkenntnisse sollten dann auf andere Anwendungen übertragen werden.

Obwohl die Elektrifizierung der Megatrend ist, der sich auf die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen konzentriert, schafft sie auf viele andere Weisen einen Mehrwert für die Eigentümer und Betreiber, einschließlich der Steuerbarkeit, der Lärmminderung und der Senkung der Gesamtbetriebskosten. Hybridfahrzeuge spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch in Anwendungen, die mit den aktuellen technologischen Möglichkeiten nicht vollständig elektrifiziert werden können.

Argumente für Elektrofahrzeuge

Es ist nach wie vor schwierig, starke Argumente für Elektrofahrzeuge zu finden, da sie über ihre gesamte Lebensdauer hinweg einen ausreichend hohen Wert bieten müssen, um den anfänglichen Kapitalaufwand zu rechtfertigen, der für den Kauf und die Einrichtung einer Infrastruktur zur Unterstützung einer elektrifizierten Flotte erforderlich ist. Mangels strenger Industrievorschriften zur Förderung der Elektrifizierung im Off-Highway-Bereich liegt es an den Kunden, nachzuweisen, dass viel für diesen Geschäftsbereich spricht.

Inzwischen können Betreiber von der verbesserten Leistung dieser Elektrofahrzeuge profitieren und die Produktivität steigern. Die Interaktion zwischen Mensch und Maschine ist in jeder Anwendung von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass der Bediener die sichere Kontrolle über das Fahrzeug hat und die erforderlichen Aufgaben ausführen kann. In der Regel bieten Elektrofahrzeuge eine bessere Steuerbarkeit und schnellere dynamische Reaktion, die den Bedienern helfen, ihre Arbeit zu erledigen. Diese Steuerung spielt eine große Rolle bei der Optimierung der Leistungsaufnahme dieser Fahrzeuge. Durch die Fähigkeit, die Leistung zu regenerieren und die verschiedenen Teilsysteme unabhängig voneinander zu steuern, kann die Effizienz von Fahrzeug und Bediener deutlich höher sein als bei herkömmlichen dieselhydraulischen Maschinen. Kombinieren Sie diese Vorteile mit dem reduzierten Lärm und den reduzierten Emissionen, und die Bediener genießen in der Regel ein komfortableres Arbeitserlebnis.

Die Entwicklung eines Fahrzeugs ist ein komplexer Prozess, der eine Frontend-Planung und ein tiefgehendes Verständnis des Marktes und der Erwartungen der Endnutzer erfordert. Der Markt beginnt, sich in Richtung emissionsfreier Fahrzeuge mit Batterie- und Brennstoffzellenantrieb zu verlagern, daher muss sich auch das Konzept beim Systementwurf ändern.

Bei jedem unserer Elektrifizierungsprojekte haben wir Ressourcen aus allen verschiedenen Geschäftseinheiten bezogen, und unsere Teams lernen zusammen mit dem Markt. Da wir vielen der gleichen Herausforderungen hinsichtlich der Elektrifizierung wie unsere Kunden begegnen, bauen wir Know-how auf, schärfen unsere Werkzeuge und verbessern unsere Produkte. Kenntnisse in den Bereichen Elektrifizierung, Hydrostatik, Software, funktionale Sicherheit, Systemdesign und anderen Bereichen sind für den Bau jeder Maschine von grundlegender Bedeutung. Das Portfolio und das Anwendungswissen, das das gesamte System abdeckt, verleiht uns eine einzigartige Fähigkeit, Kunden bei der Elektrifizierung ihrer Anwendungen zu unterstützen.

Umbau und Inbetriebnahme des Radladers

Durch die Entwicklung von PoC-Maschinen wollen wir das Editron-Portfolio präsentieren, intern neue Kompetenzen rund um die Elektrifizierung aufbauen und Plattformen schaffen, auf denen zukünftig aufgebaut werden kann und die zum Einsatz kommen. Was die Fahrzeuge betrifft, so besteht das Ziel darin, eine Maschine zu bauen, die die aktuellen Leistungsanforderungen decken oder übertreffen und die Erwartungen der Benutzer erfüllen könnte.

Da unser Ziel für den Radlader darin bestand, die Gesamtleistung zu verbessern, beschloss das Team, die gesamte Systemarchitektur zu überdenken, anstatt einen Motoraustausch durchzuführen. Durch umfangreiche Untersuchungen kamen unsere Ingenieure zu dem Schluss, dass eine zweimotorige Konfiguration (je eine für die Fahrantriebs- und die Arbeitsfunktion) optimale Ergebnisse in Bezug auf Effizienz, Kontrolle und Nutzen des elektrifizierten Fahrzeugs liefern würde.

Das Team in Nordborg begann, indem es ein bestehendes OEM-Radladermodell auseinanderbaute und fast alle internen Komponenten entfernte, bis kaum mehr als ein leeres Fahrgestell übrig blieb, auf dem aufgebaut werden sollte. Bevor wir mit der Dimensionierung von Teilsystemen begannen, wurden Leistungsziele festgelegt, die dem Team als Orientierung für die Dimensionierung der verschiedenen Komponenten dienen sollten. Sobald diese Ziele festgelegt waren, konnte das Team mit der Dimensionierung der verschiedenen Teilsysteme beginnen: Fahrantrieb, Arbeitsfunktion, Kühlung und Leistungsmanagement.

Durch die Entwicklung des Fahrzeugs in unserem ADC hatte unser PoC-Team Zugang zu den richtigen Werkzeugen und Testumgebungen, um die Leistung des Radladers zu gewährleisten. Dazu gehörten eine Teststrecke mit abgestuften Steigungen, Kiesgruben und andere Funktionen, die unseren Ingenieuren einen großen Vorteil bei der Abstimmung der Steuerung dieser Maschine bieten. Das Team setzte auch fortschrittliche Simulationstools ein, mit denen die Software von einem Desktop-Computer aus mit einem Xbox-Controller getestet und ausgeführt werden konnte. Dank der Verfügbarkeit dieser Ressourcen können wir die Qualität unserer Lösungen sicherstellen.

Wir haben ausschließlich Editron-Hardware für den Bau des elektrischen Systems der Radlader verwendet. Editron-Motoren und -Wechselrichter treiben sowohl die Fahrantriebs- als auch die Arbeitsfunktionen an, während DC-DC-Wandler und LCL-Filter für das Leistungsmanagement verwendet werden. Die Trennung der Fahrantriebs- und Hydraulik-Arbeitsfunktionen hat ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf die Dimensionierung der Teilsysteme.

Die Fahrantriebsfunktion in unserem Radlader besteht aus einem einzelnen EM-PMI375-T800-Motor mit zwei EC-C1200-450-Wechselrichtern, die ihn antreiben. Der Motor ist mit einem zweistufigen Getriebe verbunden. Dieses ist mit einem Verteilergetriebe ausgestattet, welches das Drehmoment auf die Vorder- oder die Hinterachse überträgt. Die hydraulische Arbeitsfunktion des Radladers verwendet unseren EM-PMI240-T180-Motor und den EC-C1200-Umrichter, um eine Danfoss-Hydraulikpumpe der Serie 45 anzutreiben. Durch die Entkoppelung der Arbeitsfunktion vom Fahrantriebssystem ist die Eingangsdrehzahl zur Pumpe unabhängig vom Antrieb und kann variabel gesteuert werden, um die Leistungsaufnahme zu senken und die Effizienz zu optimieren. Der Elektromotor kann die Drehzahl schneller anpassen und erreichen als ein Dieselmotor, wodurch die Reaktion des Auslegers des Radladers erhöht und dem Benutzer die Bedienung erleichtert wird.

Die Gesamtleistungsverteilung des Systems wird durch einige verschiedene Leistungselektronikkomponenten aus dem Editron-Portfolio gesteuert. Diese Komponenten werden benötigt, um die Stromversorgung zu und von den beiden verschiedenen Batterien an Bord zu leiten, sowie für den Netzanschluss, der zum Laden verwendet wird. Der Radlader verfügt über einen Hauptenergiespeicher, der aus einer 800-V-Batterie sowie einer 24-V-Batterie für Zusatzfunktionen besteht. Unser EC-IDC24 DC-DC-Wandler wird verwendet, um die Spannungspegel zwischen der 24-V-Batterie und dem Rest des Systems anzupassen, und der EC-C1200-450-Wandler mit unserem EC-LCL1200-Filter wird an das Netz angeschlossen, um das Aufladen der Hauptbatterie zu steuern. Diese leistungselektronischen Komponenten ermöglichen den Aufbau eines kompletten elektrischen Systems aus dem Editron-Portfolio.

Darüber hinaus stammen alle Displays, Joysticks, Pedale und Controller für Software aus dem DPS-Portfolio. Durch die Kombination dieser Hardware mit der Software, die von unseren PLUS+1®-Tools entwickelt und verwaltet wird, zeigt Danfoss den Portfolioumfang und das interne Wissen, das unsere Teams haben, um die nächste Generation elektrischer Lösungen im Off-Highway-Bereich zu unterstützen.

Software-Übersicht

Mit den neuesten Fortschritten bei elektronischen Steuerungen sowohl in der Hardware als auch in der Software werden die heutigen Maschinen auf dem Off-Highway-Markt immer komplizierter und fortschrittlicher. Die Entwicklung und Steuerung dieser Maschinen erfordert heute eine umfangreiche Softwareentwicklung und Tools, um das Fahrzeug während seiner gesamten Lebensdauer zu unterstützen. Wir haben viel in den Aufbau unserer PLUS+1®-Plattform investiert, um die Softwareanforderungen von Kunden, Entwicklern, Testern und Ingenieuren zu erfüllen, die sie zur Entwicklung von Lösungen für die Steuerung mobiler Maschinen verwenden.

Innerhalb von PLUS+1® haben Entwickler Zugriff auf eine Vielzahl von vorentwickelten Funktionsblöcken und Bibliotheken sowie auf Kompatibilitätsblöcke (Gerätetreiber) für unsere Hardware und eine wachsende Anzahl von Drittkomponenten. Die neueste Ergänzung unseres Portfolios ist unser Editron Motor Control (MCU) Block, der mit dem EC-C1200-450 zusammenarbeitet, um unsere Motoren anzutreiben. Unsere technischen Teams konnten diesen Block beim Schreiben der Software zur Steuerung des Fahrzeugs nutzen. Bei der Entwicklung und Implementierung von Software auf unserem PoC-Radlader konnte das Team aus bestehenden Blöcken und Bibliotheken im Zusammenhang mit hydrostatischen Systemen aufbauen.

Benutzer können auf verschiedene Weise von unserer PLUS+1®-Umgebung profitieren. Sie bietet Benutzern ein vollständiges Ökosystem, das es ihnen ermöglicht, von Grund auf neu zu entwerfen oder einen bestehenden Code zu importieren, wenn sie dies wünschen. Unabhängig davon, welche Werkzeuge zum Schreiben von Codes und zur Steuerung von Hardware in ihren aktuellen Hydraulikanwendungen verwendet werden, stehen die OEMs immer noch vor der Herausforderung, alles über die Elektrik zu lernen: Wechselrichter, Batterien, Ladesysteme usw. Durch die Entwicklung dieses PoC-Konzepts in PLUS+1® können wir diese unglaubliche Lösung gestalten und gleichzeitig neue Software entwickeln, die letztendlich an unsere Kunden weitergegeben wird, damit sie diese nutzen und Zeit bei der Entwicklung sparen können. Dies wird nicht nur unsere Tools und internen Fähigkeiten weiter verbessern, sondern auch die Software und Tools, die unsere Kunden benötigen.

Leistung und Verbesserungen

Der Umstieg auf Batterieelektrik bietet viele Möglichkeiten für eine verbesserte Leistung. Sobald die Technologie, die Ladeinfrastruktur und das Wissen über diese Elektrofahrzeuge einen bestimmten Schwellenwert überschreiten, werden die Lösungen, die alle Vorteile der Elektrifizierung in ihrem Design nutzen, ihre Diesel-Gegenstücke übertreffen und zum Standard auf dem Markt werden.