(Hydraulisch) Hybride aandrijving voor grote machines, een overzicht

Transcriptie

1 (Hydraulisch) Hybride aandrijving voor grote machines, een overzicht Inleiding In dit artikel wordt ingegaan op de ontwikkeling van hydraulisch hybride aandrijvingen De oorspronkelijke definitie van hybride stamt uit de biologie: Een vaak door menselijk ingrijpen ontstaan product van verschillende voorouders, ook wel eens genoemd bastaard. Met als voorbeeld de muilezel, kruising tussen een paard en een ezel. In de technische wereld is hybride een veelomvattend begrip dat ook doelt op de combinatie van tenminste twee soorten aandrijvingen. Dit kan dan bijvoorbeeld zijn: verbrandingsmotor en elektromotor, verbrandingsmotor en hydrauliek, elektromotor en hydrauliek etc. Niet geheel toeval dat we dan ook nog spreken over paardenkrachten en het uithoudings vermogen. Waarschijnlijk vanwege de enorm grote markt in de mobiele branche worden Figuur 1 De biologische vorm van de hybride oplossing hybride oplossingen hoofdzakelijk voor die branche ontwikkeld en gebouwd. De personen wagen vormt qua aantal wel een heel grote markt. Goede opvolgers zijn stadsbussen, mobiele werktuigen, stationaire hijskranen en vrachtwagens. Ruim bekend zijn inmiddels de hybride oplossing van een verbrandingsmotor en elektrische aandrijving. De ontwikkeling daarvan gaat razendsnel. De combinatie van verbrandingsmotor en hydrauliek heeft echter specifieke eigenschappen die voordelig kunnen zijn. In dit artikel wordt een overzicht gegeven van de meest actuele stand van zaken van de hybride aandrijvingen. Specifiek wordt ingegaan op de hybride vorm waarin de hydraulische aandrijftechniek één van de twee aandrijvingen vormt. In Nederland kennen we nog maar enkele OEM s die producten ontwikkelen voor de mobiel branche. Waarschijnlijk zijn hun engineers al lang op de hoogte van de inhoud van deze presentatie. Ik vestig mijn aandacht echter vooral naar de engineers en marktontwikkelaars voor de one-off s. Gezien het innovatieve en of unieke karakter worden deze slechts in enkelvoud of enkele stuks ontwikkeld en geproduceerd. Door juist ook toepassing van de technieken uit de grote mobiel markt voor de one-off s te benutten kunnen deze nog efficiënter of zuiniger ( groener ) functioneren. Veel van de in dit artikel genoemde oplossingen zijn ook nog eens bedoeld om een roterende aandrijving te realiseren. De hydraulische aandrijftechniek is de belangrijkste vorm van aandrijving voor aandrijvingen waar cylinders worden toegepast. Om die vorm van aandrijving ook modern te maken zijn specifieke hybride oplossingen bedacht. pag. 1/11

2 Types hybride aandrijvingen De nu op de markt en vooral ook in ontwikkeling zijnde hybride aandrijf methodes zijn in een aantal typische hoofd soorten onder te verdelen. Type 1, De hydro mechanische transmissie Puur mechanische transmissies bieden een hoog rendement en hoge vermogens dichtheid die noodzakelijk zijn voor de automotive industrie (mobiele voertuigen). Deze vorm van aandrijving heeft echter ook zijn grens voor wat betreft flexibiliteit. Een puur mechanische transmissie kan niet tegemoet komen aan power management systemen en energie opslag. Hier vinden we dan ook een van de eerste hybride vormen, een mechanische transmissie in combinatie met een elektrische of hydraulische transmissie. Zo wordt flexibiliteit verkregen voor vermogens beheer. De overige hierna genoemde hybride oplossingen richten zich vooral op zaken als brandstof besparing en verlaagde CO2 emissie. Daar is bij de hydro mechanische transmissie geen sprake van. Type 2, De verbrandings motor in combinatie met een elektrische aandrijving Toyota was in 1997 de allereerste fabrikant van een hybride aandrijving voor een personenwagen. De maatschappelijke druk op een schoner milieu, de ontwikkeling van de accusets en wederom een enorm markt potentieel zorgen er momenteel voor dat de ontwikkeling van dit type hybride aandrijving in de komende decennia onvertraagd door zal blijven gaan. Type 3, De verbrandings motor in combinatie met een hydraulische aandrijving Alhoewel de automobielmarkt weinig of niet spreekt van mogelijke ontwikkelingen op het gebied van hydraulisch hybride aandrijvingen is er juist een zeer belangrijk voordeel te behalen bij de hydraulische oplossing vanwege het veel lagere gewicht en grote vermogens dichtheid van de hydraulische accumulator in vergelijk met een elektrisch accu pakket. Type 4, Hydraulische hybride voor lineaire toepassingen Parallel aan de ontwikkeling van hydraulisch hybride oplossingen voor de roterende aandrijvingen richt een deel van de aandrijf markt zich ook op de lineaire (cylinder) toepassingen. Ik zie met name voor dit type hybride goede toepassing mogelijkheden. Aandrijvingen die dagelijks door de marketeers en engineers in de Nederlandse en Belgische markt aan de man kunnen worden gebracht en ontworpen. pag. 2/11

3 Type 1, Hybride oplossingen met als doel flexibiliteit in vermogens beheer Voor vele markten bestaat er al lang de planetaire tandwielkast overbrenging. Toepassing is vooral aan de orde waar hogere toerentallen en relatief lage koppels moeten worden omgezet in lage toerentallen en hoge koppels zoals in de aandrijving van scheepsschroeven, lieren enzovoort. Een omgekeerde vermogens transmissie komt ook wel voor zoals bij een windturbine waarbij een laag toerental en hoog koppel wordt omgezet in een hoog toerental en lager koppel (voor de elektrische generator). De planetaire tandwielkast kenmerkt zich hierbij vooral om een hoog mechanisch rendement. Het mechanisme wordt gekenmerkt door een stelsel van zonnewiel, planeetwiel en satellietwiel. Door de toevoeging van koppelingen op verschillende assen ontstaat er aan de uitgaande as een keus voor een hoog koppel met laag toerental, laag koppel met hoog toerental enzovoort. Een nadeel voor de planetaire tandwielkast is de wens naar een variabel toerental of variabel koppel aan de uitgaande as. Door de toevoeging van een extra variator parallel aan de mechanische transmissie ontstaat er direct een transmissie met een perfect regelbaar toerental of koppel aan de uitgaande as. Deze variator kan hydraulisch, elektrisch of mechanisch worden uitgevoerd. Figuur 2 De hydro mechanische CVT (continuous variable transmission) (Bron Caterpillar) In het voorbeeld van figuur wordt de variator gevormd door een hydrostatische transmissie (HST). In deze vorm is het toerental aan de uitgaande as traploos regelbaar. Bekend is dat het totaal rendement van een hydrostatische transmissie lager ligt dan van de planetaire overbrenging. Het vermogen dat via de HST wordt geleid is lager dan het vermogen dat door de hoofd-as wordt geleid. Hierdoor is het totaal rendement van deze Hydro-Mechanical CVT nog zeer goed. Omdat het over te brengen vermogen van de HST beperkt is zijn de hydro mechanische transmissies typisch geschikt voor vermogens tot ca 350 kw. pag. 3/11

4 Figuur 3 Diverse uitvoeringen van een Mech/Hydr transmissie voor een laadschop (Bron Caterpillar) pag. 4/11

5 Type 2, De verbrandings motor met vervolgens een elektrische parallel of serie schakeling Er wordt een hoofd-onderscheid gemaakt in een serie of parallel hybride aandrijving. De meest toegepaste uitvoering is momenteel de parallel oplossing. Bij een parallel aandrijving kan zowel de verbrandingsmotor als de elektro motor de wagen aandrijven. Figuur 4 Parallel hybride aandrijving Parallel aandrijvingen zijn vooral bedoeld om ondersteuning te geven aan de hoofd verbrandings motor bij versnellen, bergje op etc. Dus zijn ze ook zeer geschikt om energie op te slaan die vrijkomt bij het afremmen. Voorbeeld hiervan is de Honda Insight. De batterij set is hierbij beperkt in omvang. Figuur 5 Serie hybride aandrijving De verbrandings motor drijft hierbij een generator aan en is op geen enkele wijze verder rechtstreeks verbonden met de aandrijf as. Hierdoor kan de verbrandings motor op zijn meest efficiënte toerental vermogen leveren. De batterij set wordt gevormd door super condensatoren, soms aangevuld met een vliegwiel. Voorbeelden van een serie hybride aandrijving zijn de BMW i3, de Chevrolet Volt. pag. 5/11

6 Er zijn en worden vele combinaties van serie en parallel hybride aandrijvingen ontwikkeld. De bekende Mitsubishi Outlander kan bijvoorbeeld weer automatisch schakelen tussen parallel en serie. Als met name de politieke keuzes in de komende decennia in de richting gaan van het uitbannen van de verbrandings motor uit onze vervoerswereld dan zal ook deze elektrisch hybride oplossing daarin niet meer kunnen worden toegepast. De elektrische hybride oplossing is niet alleen interessant voor de automobiel industrie. Ook in de zware grondverzet machine en landbouw branches worden hybride aandrijvingen gebruikt gebaseerd op met name de serie oplossing. Figuur 6 Voorbeeld van een serie elektrische hybride aandrijving(bron John Deere) De hybride aandrijving richt zich hierbij op de wiel aandrijving. John Deere past bij deze oplossing nog wel PTO gedreven hydrauliekpompen toe voor alle cylinder aandrijvingen. Noot: De volledig elektrisch aangedreven personenwagens vormen wellicht het beeld in een niet meer zo verre toekomst. Aangezien die aandrijving alleen nog maar elektrische componenten heeft en geen verbrandings motor spreken we dan ook niet meer van een hybride oplossing. pag. 6/11

7 Type 3, De verbrandings motor met vervolgens een hydraulische parallel of serie schakeling Ook hier richt men zich op energie besparing en verlaging van CO2 emissie. Kenmerk van dit type oplossingen is het slim opslaan van in een machine gegenereerde energie. De plaatjes van figuur 4 en 5 kunnen in feite worden getransformeerd naar een hydraulisch hybride oplossing door de generator en elektromotor te vervangen door respectievelijk een hydrauliek pomp en -motor. In plaats van de elektrische accu set wordt nu gebruik gemaakt van een hydraulische accumulator. Belangrijk voordeel is dan het lage gewicht van de hydraulische accumulator in vergelijk met het elektrisch accu pakket. In de branches van zwaar transport, grondverzetmachines en stadsbussen zien we momenteel veel ontwikkeling voor de hydraulisch hybride serie oplossing. Het feit dat er toch altijd een groot aantal aandrijvingen (alle cylinders) hydraulisch zullen blijven maakt het begrijpelijk dat de hydraulisch hybride oplossing de voorkeur geniet boven de deels elektrisch hybride oplossing. Type 3, Voorbeeld I Innas Bv te Breda heeft een serie hybride aandrijving ontwikkeld. De ruggengraat van dit systeem wordt gevormd door het hoge druk rail systeem (Common Pressure rail = CPR). Dit systeem verzameld en verdeeld al het vermogen in het voertuig. Aan de hoge drukzijde heerst een druk tussen 200 en 400 bar. De aanwezige verbrandingsmotor levert al zijn energie via een pomp met constant slagvolume. Het motor koppel is recht evenredig met de hydraulische druk in de hoge druk accumulator en varieert dientengevolge altijd tussen 50% en 100% van het maximum koppel. Het gebruik van de verbrandingsmotor onder een lage belasting wordt hierdoor vermeden. Ieder wiel heeft vervolgens zijn eigen aandrijfmotor, een motor met vast slagvolume. Het koppel van deze wielmotoren wordt voor de voor-en achteras onafhankelijk gecontroleerd door de ook door Innas ontwikkelde hydraulische omvormers. Innas claimt een brandstof besparing van meer dan 50% alsmede een 53% besparing op CO2 emissie. Dit is getest bij het met een ca 100 kw dieselmotor in zowel een stedelijke als snelweg conditie. De belangrijkste redenen voor deze besparing is het feit dat de dieselmotor altijd in een relatief gunstig koppel bereik(50-100%) wordt belast en de hydraulische eenheden allen gebaseerd zijn op een hoog rendement floating cup (@Innas) pomp en motor type. De floating cup type pompen en motoren zijn tevens door Innas in voorafgaande jaren al ontwikkeld. Innas bereidt momenteel voor dat hydrauliek fabrikanten deze producten in hun licentie mogen gaan fabriceren. pag. 7/11 Figuur 7, Serie Hybride Hydraulische aandrijving (bron Innas BV)

8 Type 3, Voorbeeld II Een systeem dat ook gebruik maakt van een hoge druk en een lage druk accumulator is het door het Duitse IFAS ( het onderzoek laboratorium voor hydrauliek verbonden aan de RWTH Aachen University) ontwikkelde systeem STEAM. In 2016 heeft het IFAS dit ook nog gepresenteerd op het DFPC. Op de in 2016 gehouden BAUMA presenteerde IFAS deze oplossing in samenwerking met Volvo. Figuur 8 Vereenvoudigd schema van STEAM waarbij een Hoge druk en Lage druk accumulator de energie opslaan en distribueren (Bron IFAS Aachen) Het systeem beoogt ook om de energie op te kunnen slaan die vrijkomt bij het laten zakken van een last in graafwerktuigen of afremmen van een zwenkende cabine. Men heeft hierbij extra aandacht gegeven hoe een hydraulische cylinder energetisch beter kan worden aangedreven. Immers, vanwege het verschil in oppervlak tussen bodem en stangzijde, reageert een cylinder totaal anders dan een hydromotor of hydraulische pomp. De huidige en conventionele methode voor het besturen van een cylinder die wordt aangedreven door een last is gebaseerd op het gebruik van smoorkleppen, remkleppen enzovoort. Hierbij wordt dan hydraulische energie omgezet in warmte. In STEAM worden drie verschillende druk niveaus gebruikt. Naast de hoge druk en de medium druk wordt de tankdruk ook aangewend. Een toegevoegde intelligentie bepaalt dan of tijdens het zakken van de last de cylinder (bodem of stangzijde) moet worden gekoppeld aan één van de drie drukniveau s. Omgekeerd, bij het heffen van de last bepaalt dezelfde intelligentie of energie kan worden betrokken uit de hoge druk of de medium druk accumulator. pag. 8/11

9 Figuur 9 Het besturing principe schema van STEAM, een ontwikkeling van IFAS (bron IFAS, Aachen) De hydraulische pomp, hier als Loadsense pomp bestuurd, wordt verder gebruikt om de hoge druk en medium druk accumulator op een minimaal gewenst vulniveau te houden. Het resultaat van deze aanpak is dat de diesel motor op een gemiddeld veel lager toerental kan opereren, bijvoorbeeld gemiddeld 1200 omw/min in plaats van de traditionele 1800 omw/min. Men claimt hier een brandstof besparing van ca 30%. Noot: Freudenberg Sealing Technologies heeft speciaal voor de hybride toepassing lichtgewicht hoge druk zuiger accumulatoren en lage druk accumulatoren van aluminium ontwikkeld Figuur 10 Voor de hybride oplossing worden nieuwe laag gewicht accumulatoren ontwikkeld (Bron Freudenberg Sealing Technology GmbH) pag. 9/11

10 De firma Hydac heeft voor de hybride oplossing de veel gebruikte Hoge druk en lage druk hydraulische accumulator configuratie omgezet in één component de zogenaamde Double Piston Accumulator (DPA) Figuur 11 Een speciaal voor de hybride oplossing ontworpen Hoge druk en Lage druk accumulator (Bron Hydac) Type 3, Voorbeeld IV EPA (United States Environmental Protection Agency, Californië) heeft met een aantal partners een Serie-Hybride koerier wagen ontwikkeld voor UPS. Men claimt een 60-70% hoger aantal kilometers per liter brandstof en een 40% lagere CO2 emissie alsmede 50% lagere koolwaterstof en 60% lagere stofdeeltjes uitstoot. pag. 10/11

11 Figuur 12 Demo film van de door EPA ontwikkelde hydraulic hybrid vehicle pag. 11/11

12 Type 4, Voorbeeld I Het hier besproken voorbeeld is een meer directe vorm van het gebruik van een accumulator en wordt benut door Sennebogen GmbH. Men claimt een besparing op brandstofgebruik van ca 30%. Hierbij wordt de energie die beschikbaar komt bij het laten zakken van de giek middels een 3 e toegevoegde top cylinder naar een hydraulische accumulator set gebracht. Bij het vervolgens heffen van de giek is als deze energie dan weer beschikbaar. Het principe kan op verschillende kranen worden toegepast. De diameter van de 3 e cylinder en ook het aantal accumulatoren is hierbij machine afhankelijk. Figuur 13 Een 3e topcylinder gekoppeld aan hydraulische accumulatoren (bron Sennebogen GmbH) Figuur 14 De energie tijdens het zakken wordt opgeslagen in hydraulische accumulatoren (Bron Sennebogen GmbH) De accumulatoren en additionele stikstof flessen zijn vanwege veiligheid overwegingen achter in de machineruimte geplaatst. Men heeft bewust gekozen voor een relatief groot gasvolume in relatie tot het benodigde olie volume. Hiermee wordt bereikt dat de variatie in het gasvolume ook laag is met als resultaat lage adiabatische gasconstantes en dus een efficiënter systeem. pag. 12/11