Verbrennungsmotor oder Elektroantrieb?
Obwohl der Dieselmotor aktuell noch die geeignetste Antriebsquelle für größere Maschinen darstellt, setzen OEMs verstärkt auf Hybrid- und Elektroantriebe, um Emissionen und Kraftstoffverbrauch weiter zu senken und gleichzeitig die Leistung zu optimieren. Laut dem Branchenbarometer der Messe München gaben 32 % der Befragten an, dass die „Forschung an Maschinen und Fahrzeugen mit elektrischen Antriebssystemen“ für ihr zukünftiges Geschäft von größter Bedeutung sei.
Die Treibstoffkosten sind einer der Hauptfaktoren, die die Gesamtbetriebskosten (TCO) beeinflussen. Daher kann der Einsatz eines Elektromotors als alleinige oder sekundäre Antriebsquelle für eine Maschine oder zur Unterstützung ihrer Hauptfunktion die Betriebskosten erheblich senken. Eine effiziente Methode der Elektrifizierung durch OEMs ist die serielle Hybridisierung. Hierbei arbeitet das Kraftwerk der Maschine unabhängig und erzeugt effizient elektrische Energie für die Batterien der Maschine oder direkt für die Antriebsstränge. Lastschwankungen dieser Antriebsstränge werden vom Kraftwerk nicht erfasst.
Dies ermöglicht eine hocheffiziente Nutzung des Dieselmotors der Maschine und erzielt eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 50 %, ohne dass die Maschinenleistung negativ beeinflusst wird.
Nicht nur ein neuer Antriebsstrang, sondern ein komplett neues Design
Die Integration vollelektrischer oder hybrider Antriebsstränge und -systeme stellt jedoch einen Paradigmenwechsel gegenüber dem bisherigen evolutionären Entwicklungspfad der Branche dar und kann eine grundlegende Neukonstruktion der Maschine erfordern. Neue Antriebsstrangtopologien müssen entwickelt, Akkus, Elektromotoren und Leistungselektronik dimensioniert und integriert sowie Software- und Steuerungssysteme grundlegend überarbeitet werden, um den Betrieb der Maschine zu gewährleisten. In einem traditionellen F&E-Prozess würde der Umfang dieser Änderungen bedeuten, dass mehrere Runden physischer Prototypen erstellt werden müssten, um die Eigenschaften und die Funktionalität des Gesamtsystems zu verstehen und zu testen. Selbst dann wäre die reibungslose Abstimmung der mechanischen, elektronischen und Softwarekomponenten ein iterativer Prozess, der ein hohes Risiko für Projektverzögerungen birgt.
Entwicklung von Elektro- und Hybridmaschinen mit digitalen Zwillingen
Hier kommt der physikbasierte digitale Zwilling ins Spiel. Durch die Anwendung realitätsnaher virtueller Prototypenerstellung kann ein virtuelles Mehrkörpersimulationsmodell von Maschine, Umgebung und Arbeitsprozess genutzt werden, um verschiedene Hybridisierungskonzepte in Echtzeit zu dimensionieren und zu testen und den Antriebsstrang deutlich weiterzuentwickeln, bevor physische Prototypen benötigt werden.
Da der virtuelle Prototyp der Maschine das Verhalten ihres realen Gegenstücks genau widerspiegelt, kann er während der Produktentwicklungsphasen mit einer Vielzahl von Systemen und Interessengruppen interagieren.
Der auf dem digitalen Zwilling basierende F&E-Prozess erzeugt ein hochpräzises Modell der neuen Maschine, des Arbeitsprozesses und ihrer Umgebung. Dadurch kann das Entwicklungsteam verschiedene Subsysteme und deren Interaktion mit der virtuellen Maschine in Echtzeit testen. Da der digitale Zwilling mit dem realen Steuerungssystem verbunden ist, lassen sich Änderungen an der Software und den Steuerungsmechanismen parallel implementieren und testen. Dies erhöht die Genauigkeit, reduziert Fehler und spart wertvolle Zeit. So können beispielsweise Parameteränderungen sofort erlebt, getestet und – falls erforderlich – korrigiert werden.
Ein praktisches Beispiel für einen digitalen Zwilling-basierten Vergleich des Kraftstoffverbrauchs eines rein dieselbetriebenen und eines hybridbetriebenen Untertageladers ist in der folgenden Abbildung dargestellt. In sechs Zyklen des Gesteinstransports in derselben modellierten Minenumgebung verbraucht der Hybridlader etwa die Hälfte der Dieselkraftstoffmenge des rein dieselbetriebenen Laders, während die Ladezyklen hinsichtlich Zeitaufwand, zurückgelegter Strecke und transportierter Tonnage unverändert bleiben. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der seriellen Hybridisierung von Baumaschinen in der Praxis erzielt und bestätigen die Genauigkeit der physikbasierten Simulationsergebnisse des digitalen Zwillings.
Fazit
Die Elektrifizierung oder Hybridisierung von Baumaschinen erfordert einen grundlegenden Wandel in den Produktentwicklungsprozessen der OEMs . Dank seiner Echtzeitsimulation von Maschine, Umgebung und Arbeitsprozess dient der physikbasierte digitale Zwilling als präzise Abbildung des realen Modells und schlägt eine nahtlose Brücke zwischen virtueller und physischer Welt. Die Integration des physikbasierten digitalen Zwillings in den F&E-Prozess ist ein bewährter Weg, Entwicklungszeiten zu verkürzen, die Softwarequalität zu steigern und die Innovationsrate für die Entwicklung der nächsten Generation elektrifizierter Maschinen zu beschleunigen.
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