Verbrandingsmotor of elektrisch?
Hoewel de dieselverbrandingsmotor momenteel de meest geschikte energiebron blijft voor grotere machines, kijken OEM's steeds vaker naar hybride en elektrische aandrijflijnen om de emissies en het brandstofverbruik te blijven verminderen en tegelijkertijd optimale prestaties te leveren. Bauma-industriebarometerVolgens Messe Munchen beoordeelde 32% van de respondenten het onderwerp ‘Onderzoek naar machines en voertuigen met elektrische aandrijfsystemen’ als het belangrijkst voor de toekomst van hun bedrijf.
Brandstofkosten zijn een van de belangrijkste factoren die de Total Cost of Ownership (TCO) beïnvloeden. Daarom kan het gebruik van een elektromotor als enige of secundaire energiebron om een machine aan te drijven of te ondersteunen bij de hoofdfunctie ervan, een grote impact hebben op de bedrijfskosten van een machine. Een efficiënte manier waarop OEM's elektrificatie toepassen, is seriehybridisatie, waarbij de energiecentrale van de machine onafhankelijk werkt en efficiënt elektrische energie opwekt voor de accu's van de machine of rechtstreeks voor de aandrijflijnen. De energiecentrale ondervindt geen last van de belastingsfluctuaties van deze aandrijflijnen.
Dit maakt een uiterst efficiënt gebruik van de dieselmotor die de machine aandrijft mogelijk, waardoor een tot 50% besparing op brandstofverbruik zonder negatieve gevolgen voor de machineprestaties.
Niet alleen een nieuwe aandrijflijn, maar een nieuw ontwerp
De integratie van volledig elektrische of hybride aandrijflijnen en systemen is echter een stap voorwaarts ten opzichte van het evolutionaire ontwikkelingspad dat tot nu toe in de industrie is gevolgd en vereist mogelijk een fundamenteel herontwerp van de machine. Nieuwe aandrijflijntopologieën moeten worden ontworpen, accupakketten, elektromotoren en vermogenselektronica moeten worden gedimensioneerd en geïntegreerd, en er moeten ingrijpende wijzigingen in software en besturingssystemen worden doorgevoerd om de machine te laten werken. In een traditioneel R&D-proces zou de omvang van deze veranderingen betekenen dat er meerdere rondes van fysieke prototypes moeten worden gemaakt om de kenmerken en functionaliteit van het systeem als geheel te begrijpen en te testen. Zelfs dan zou het orkestreren van de mechanische, elektronische en softwarecomponenten voor een soepele werking een iteratief proces zijn dat een ernstig risico op projectvertragingen met zich meebrengt.
Ontwerpen van elektrische en hybride machines met Digital Twins
Dit is waar de op natuurkunde gebaseerde Digital Twin het verschil maakt. Door het toepassen van levensechte virtuele prototyping, een virtueel multi-body simulatiemodel van machine, omgeving en werkproces kan worden gebruikt om verschillende hybridisatieconcepten in real-time te dimensioneren en te testen en de aandrijflijn naar een veel verdere staat te itereren voordat fysieke prototypes nodig zijn.
Omdat het virtuele prototype van de machine het gedrag van zijn echte evenbeeld nauwkeurig weerspiegelt, kan het tijdens de productontwerpfasen communiceren met een groot aantal systemen en belanghebbenden.
Het Digital Twin-centrische R&D-proces produceert een zeer nauwkeurig model van de nieuwe machine, het werkproces en de omgeving. Dit stelt het ontwerpteam in staat om verschillende subsystemen en hun interactie met de virtuele machine in realtime te testen. Doordat de Digital Twin is verbonden met het echte besturingssysteem, kunnen wijzigingen in de software en besturingsmechanismen parallel worden geïmplementeerd en getest, wat de nauwkeurigheid verhoogt, fouten vermindert en kostbare tijd bespaart. Zo kunnen bijvoorbeeld parameterveranderingen direct worden ervaren, getest en – indien nodig – gecorrigeerd.
Een praktijkvoorbeeld van een Digital Twin-centrische vergelijking van het brandstofverbruik tussen een volledig diesel- en een hybride ondergrondse lader is te vinden in de onderstaande afbeelding. Gedurende zes cycli van het vervoeren van stenen in dezelfde gemodelleerde mijnomgeving verbruikt de hybride lader ongeveer de helft van de hoeveelheid diesel vergeleken met de volledig dieselaangedreven versie, terwijl de laadcycli gelijk bleven qua tijd, afgelegde route en vervoerde tonnage. Soortgelijke resultaten zijn behaald met seriële hybridisatie van bouwmachines in de praktijk. en de nauwkeurigheid van de op fysica gebaseerde resultaten van de Digital Twin-simulatie verifiëren.
Conclusie
De elektrificatie of hybridisering van bouwmachines vereist een stapsgewijze verandering in OEM's productontwikkelingsprocessenDankzij de eigenschappen van realtime simulatie van de machine, de omgeving en het werkproces, fungeert de op fysica gebaseerde digitale tweeling als een nauwkeurige weergave van zijn echte tegenhanger, die de virtuele en fysieke wereld naadloos verbindt. Het centraal stellen van de op fysica gebaseerde digitale tweeling in uw R&D-proces is een bewezen manier om ontwikkeltijden te verkorten, de softwarekwaliteit te verhogen en de innovatiesnelheid te versnellen die nodig is om de volgende generatie geëlektrificeerde machines te ontwikkelen.
Download het e-boek: De digitale tweeling in het centrum van R&D