Optymalizacja gospodarki ciepłem w zelektryfikowanych maszynach terenowych, budowlanych i górniczych

Proces przechodzenia na elektryczne układy napędowe w maszynach terenowych, budowlanych i górniczych nabiera tempa. Producenci muszą reagować na rosnącą presję ograniczania emisji zanieczyszczeń wywieraną przez różne organy regulacyjne, a równocześnie poprawiać sprawność działania, bezpieczeństwo i wydajność. Przejście z systemów napędzanych silnikami wysokoprężnymi na hybrydowe i całkowicie elektryczne rodzi poważne wyzwania techniczne, zwłaszcza w obszarze gospodarki ciepłem.

Utrzymanie optymalnej temperatury roboczej w układach akumulatorowych dużej mocy, elektrycznych układach napędowych i funkcjach roboczych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia właściwego działania, niezawodności i bezpieczeństwa w ekstremalnych warunkach. Bez odpowiedniego chłodzenia akumulatory się przegrzewają, spada ich wydajność i wzrasta ryzyko niestabilności termicznej. Aby sprostać tym wyzwaniom, w systemach elektryfikacji pojazdów należy zaimplementować zaawansowane strategie gospodarki ciepłem, które połączą efektywność chłodzenia z niską masą, zwartymi wymiarami i wytrzymałością niezbędnymi w wymagających zastosowaniach.

Parker Hannifin — światowy lider w dziedzinie technologii napędów i sterowania, w tym rozwiązań z zakresu regulowania przepływu cieczy, ruchu i temperatury — opracowuje zaawansowane kompleksowe rozwiązania systemowe zwiększające bezpieczeństwo, efektywność funkcjonowania i trwałość zelektryfikowanego sprzętu mobilnego.

Kluczowe wyzwania w elektryfikacji ciężkiego sprzętu

Elektryfikacja pojazdów terenowych niestety nie sprowadza się jedynie do prostego zastąpienia tradycyjnego układu napędowego. W przeciwieństwie do instalacji stacjonarnych, gdzie chłodzeniem można precyzyjnie zarządzać, maszyny mobilne pracują w wielu nieprzewidywalnych i skrajnych warunkach, co skutkuje dynamicznymi wahaniami zakresu temperatur w zależności od terenu, obciążenia i cyklu roboczego. Najważniejsze wyzwania związane z elektryfikacją to ograniczona ilość miejsca na podzespoły chłodzące, wymagania dotyczące gęstości mocy, sprawność systemu, trwałość przy intensywnej eksploatacji, konieczność obniżenia hałasu i łatwość integracji.

Istotną przeszkodą w elektryfikacji maszyn budowlanych i górniczych jest niedobór przestrzeni na układy chłodzenia. Wiele platform maszyn terenowych zaprojektowano z myślą o silnikach wysokoprężnych, praktycznie z pominięciem dodatkowych komplikacji termicznych spowodowanych obecnością akumulatorów, falowników i silników elektrycznych. Aby układ napędowy był skutecznie chłodzony, są potrzebne wymienniki ciepła, węże, pompy i zbiorniki, jednak znalezienie miejsca na te podzespoły bez pogarszania osiągów pojazdu i bezpieczeństwa operatora stanowi ogromne wyzwanie konstrukcyjne.

Innym newralgicznym czynnikiem jest gęstość mocy. Silniki elektryczne, falowniki i akumulatory muszą zapewniać wysoką moc przy niewielkich rozmiarach, w związku z czym wydajna gospodarka ciepłem ma absolutnie kluczowe znaczenie. W przeciwieństwie do silników wysokoprężnych, które mogą pracować w szerokim zakresie temperatur, akumulatory dla zachowania sprawności, wydajności i trwałości muszą pozostawać w bardzo wąskim zakresie temperatur. Nieadekwatne chłodzenie prowadzi do przegrzania, utraty mocy i trwałej degradacji ogniw akumulatora.

Koncepcja sprawności cieplnej wykracza poza chłodzenie. Postępujący trend elektryfikacji w przemyśle obejmuje również wykorzystywanie ciepła odpadowego do podniesienia całościowej sprawności systemów. Zaawansowane systemy nie rozpraszają po prostu ciepła, tylko przekierowują nadmiar energii cieplnej do obwodów służących wstępnemu podgrzewaniu płynów, utrzymywaniu temperatury akumulatorów w chłodnym otoczeniu lub poprawie funkcjonowania układów hydraulicznych. Takie rozwiązania minimalizują marnotrawienie energii i równocześnie podnoszą ogólną sprawność systemów. Zwiększają atrakcyjność elektryfikacji w branżach, w których kluczowe znaczenie mają czas bezawaryjnej pracy i oszczędzanie energii.

Liczy się jednak nie tylko sprawność działania, ale również trwałość i solidność. Pojazdy terenowe często pracują w niezwykle trudnych warunkach — od zapylonych kopalń po mroźne place budowy i wilgotne lasy. Podzespoły systemu gospodarki ciepłem muszą wytrzymywać intensywne drgania, wstrząsy mechaniczne oraz kontakt z różnymi zanieczyszczeniami i żrącymi chemikaliami, zachowując jednocześnie skuteczność działania w długich okresach międzyserwisowych.

Kolejną kwestią jest obniżenie poziomu hałasu. W miarę, jak maszyny górnicze i budowlane przechodzą na elektryczne układy napędowe, brak głośnego silnika wysokoprężnego powoduje wyeksponowanie obecności osprzętu, takiego jak wentylatory, pompy i układy chłodzenia. Ograniczenie hałasu towarzyszącego eksploatacji ma szczególnie duże znaczenie w pracach budowlanych w mieście oraz w górnictwie podziemnym, gdzie urzędowe ograniczenia są coraz bardziej rygorystyczne.

Wreszcie, w elektryfikacji pojazdów bardzo ważne są prostota systemów i łatwość integracji. Branża zmierza w kierunku rozwiązań chłodzących typu plug-and-play, które maksymalnie upraszczają instalację, ograniczają liczbę miejsc możliwego wystąpienia awarii i sprawnie integrują się z systemami zarządzania akumulatorami i elektroniką układów zasilania. Uproszczenie architektury układów chłodzenia obniża koszty produkcji oraz istotnie ułatwia wykonywanie prac serwisowych i utrzymaniowych operatorom w terenie.

Znaczenie chłodzenia akumulatorów w funkcjach roboczych wykorzystujących zasilanie prądem

Elektryczne maszyny budowlane i górnicze wykorzystują akumulatory litowo-jonowe o wysokiej gęstości energii do zasilania wszystkich podsystemów — od układów napędowych po hydrauliczne funkcje robocze. W trakcie pracy tych maszyn czynnikiem ograniczającym wydajność i żywotność staje się temperatura akumulatorów. Przegrzanie skutkuje degradacją ogniw akumulatora, zmniejsza zdolność utrzymania ładunku elektrycznego, a w skrajnych przypadkach prowadzi do katastrofalnej niestabilności termicznej.

Funkcje robocze takie jak podnoszenie, wiercenie i przenoszenie materiałów przy użyciu układu hydraulicznego wywołują ogromne zapotrzebowanie na energię w elektrycznych układach napędowych i w efekcie szybkie nagrzewanie. W przeciwieństwie do tradycyjnych maszyn napędzanych silnikami wysokoprężnymi, gdzie ciepło jest rozpraszane poprzez chłodzenie silnika, systemy elektryczne do sprawnego regulowania temperatury wymagają specjalistycznych rozwiązań gospodarki ciepłem.

W celu przeciwdziałania problemom termicznym akumulatory wykorzystują zaawansowane systemy chłodzenia cieczowego. Płyn chłodzący przepływa przez precyzyjnie zaprojektowane kanały, skutecznie zapobiegając degradacji napędu wskutek nadmiernych ilości ciepła. Układy chłodzenia odbierają ciepło z ogniw akumulatorów, falowników i silników elektrycznych, zapewniając w ten sposób optymalne działanie nawet przy dużych obciążeniach.

Skuteczność chłodzenia akumulatora bezpośrednio wpływa na cykl roboczy, moc wyjściową i długofalową niezawodność maszyny. W efekcie układ chłodzenia staje się newralgicznym elementem konstrukcji elektrycznego układu napędowego.

Akumulatory wykorzystują cieczowe układy chłodzenia, w których płyn chłodzący przepływa przez specjalnie zaprojektowane kanały i dzięki temu zapobiega degradacji napędu wskutek nadmiernych ilości ciepła. Układy te odprowadzają nadmiar ciepła z ogniw akumulatorów, falowników i silników elektrycznych, utrzymując w ten sposób optymalne działanie nawet przy dużych obciążeniach. Skuteczność tego chłodzenia bezpośrednio wpływa na cykl roboczy, moc wyjściową i długookresową niezawodność maszyny.

Zaawansowane rozwiązania gospodarki ciepłem w zelektryfikowanych maszynach terenowych

Parker Hannifin ma w ofercie całą rodzinę elementów układów gospodarki ciepłem uwzględniających szczególne wymagania elektrycznych pojazdów terenowych. Konstrukcja tych rozwiązań zapewnia sprawną integrację z systemami napędowymi maszyn opartymi na silnikach wysokoprężnych, instalacjach hybrydowych i wyłącznie silnikach elektrycznych, zapewniając optymalne działanie i bezpieczeństwo w trudnych warunkach przemysłowych.

• Wydajne podzespoły chłodzące

  Oferowane przez Parker węże chłodzące do instalacji elektronicznych, wymienniki ciepła z chłodzeniem cieczowym i nowatorskie systemy gospodarki ciepłem umożliwiają precyzyjne kontrolowanie temperatury akumulatorów, falowników i silników elektrycznych. Uniwersalne i niezawodne węże umożliwiają producentom projektowanie wydajnych i kompaktowych układów chłodzenia.

• Szybkozłącze i szczelny obieg cieczy

  Niezawodne szybkozłącza gwarantują szybki przepływ cieczy bez ryzyka wycieków, redukując niepożądane przestoje i ryzyko zanieczyszczenia. Podzespoły te są nieodzowne w układach chłodzenia akumulatorów wysokiego napięcia, gdzie utrzymanie integralności obwodu cieczowego i wysokiej sprawności cieplnej absolutnie ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i sprawnego działania.

• Zintegrowane systemy chłodzenia układów odbioru mocy elektrycznej (ePTO) i elektrycznych funkcji roboczych

  Parker oferuje wysokonapięciowe systemy gospodarki ciepłem do układów wysokonapięciowych przystosowane do wymagań elektrycznych funkcji roboczych. Gwarantują one sprawne przenoszenie mocy i aktywowanie elementów hydraulicznych nawet przy ekstremalnych obciążeniach. Te rozwiązania chłodnicze wykorzystują modułową i skalowalną architekturę, co umożliwia ich stosowanie w sprzęcie o różnej wielkości i zastosowaniach.

QDC dla ePTO — modułowy system chłodzenia nadmuchem powietrza SLIM

• Bezpieczeństwo i regulacja ciśnienia w akumulatorach

  Parker dostarcza nie tylko układy chłodzenia, ale również zawory odpowietrzające i zaawansowane uszczelnienia, które regulują ciśnienie w akumulatorach, zapobiegają niestabilności termicznej i chronią przed zanieczyszczeniami środowiskowymi. Podzespoły te mają kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa, a dodatkowo wydłużają okres bezawaryjnej eksploatacji obudów akumulatorów wysokonapięciowych.

• Energooszczędne chłodzenie na żądanie

  Nowatorskie rozwiązania chłodzące Parker dynamicznie dostosowują przepływ powietrza i natężenie przepływu chłodziwa na podstawie bieżących, chwilowych informacji o obciążeniu termicznym. W ten sposób optymalizują, czyli w praktyce obniżają zużycie energii, równocześnie pomagając utrzymać stabilne działanie, zwiększać zasięg i podnosić użytkową sprawność maszyn mobilnych zasilanych akumulatorowo.

Przyszłość elektryfikacji i gospodarki ciepłem w sprzęcie terenowym

Ponieważ branża sprzętu terenowego zmierza w kierunku coraz większej elektryfikacji i autonomii pracy, zaawansowane systemy gospodarki ciepłem będą odgrywały coraz większą rolę w utrzymaniu sprawności eksploatacyjnej i niezawodności. Zintegrowanie inteligentnych algorytmów chłodzenia oraz strategii konserwacji zapobiegawczej i ponownego wykorzystania energii dodatkowo podniesie efektywność operacyjną maszyn hybrydowych i w pełni elektrycznych.

Parker Hannifin konsekwentnie opracowuje kolejne innowacje, dostarczając rozwiązania inżynieryjne umożliwiające elektryfikowanie nowej generacji pojazdów budowlanych, górniczych i terenowych. Oferując w pełni zintegrowane systemy gospodarki ciepłem, Parker pomaga przezwyciężać ograniczenia przestrzenne, poprawiać wydajność chłodzenia oraz zwiększać bezpieczeństwo elektrycznych funkcji roboczych.

Na szybko zmieniającym się rynku zdolność precyzyjnego sterowania temperaturą przy równoczesnym optymalizowaniu zużycia energii zdecyduje o powodzeniu inicjatyw elektryfikacyjnych. Oferując kompletny asortyment zaawansowanych systemów chłodzenia uwzględniających kluczowe aspekty takie jak bezpieczeństwo, sprawność i trwałość, Parker pomaga urzeczywistniać wizje elektryfikacji w pojazdach przemysłowych.

Autorzy: Andreas Lengnowski, kierownik ds. rozwoju rynku europejskiego w pionie siłowników i zasobników ciśnienia na Europę (Cylinder & Accumulator Division Europe, CADE), oraz Fabian Brücker, kierownik ds. rozwoju rynku europejskiego w pionie złączy wysokociśnieniowych (High Pressure Connectors Europe, HPCE) w Parker Hannifin.