Logikus és várható továbbfejlődése az elektromos meghajtási módoknak, hogy a többnyire nehéz, költséges előállítású és gyakran lassú, szervizigényes, meghibásodásra hajlamos, megszokott konstrukciókat előbb-utóbb felváltják a közvetlen meghajtású vagy minimális köztes áttételű megoldások. Egy elektromos üzemű traktor vagy villanymotoros rakodógép messze nem minden!
Elektromos meghajtás, korlátok nélkül
Gazdálkodj okosan, az árammal is!
A szántóföldi robotoknál már nem újdonság, ha a munkafunkció, a csatolt eszköz is elektromos meghajtással működik. Egy elektromos meghajtású gép esetében – bár az áramforrás egyaránt lehet csak akkus, üzemanyagcellás vagy hibrid üzemű – szintén fontos tényező, hogy mennyi áramot kell raktározni vagy előállítani, mennyi üzemóra teljesíthető egy feltöltéssel, illetve tankolással.
Akárcsak a klasszikus dízelüzemnél, a fenti meghajtásoknál is jelentősen csökkenthető lenne az energiafelhasználás, például ha egy rendsodró, bálázógép vagy vontatott permetezőgép közvetlen elektromos meghajtással rendelkezne!
Nincs szükség bonyolult, nehéz és karbantartás-igényes mechanikus vagy hidraulikus hajtásra, kardánokra, láncokra vagy ékszíjakra, elég akár néhány kisebb villanymotor is, a traktorról pedig csak egy-két kábelt kellene átvezetni a mezőgazdasági eszközre.
A klasszikus meghajtást helyettesítve nemcsak a hibalehetőséget, de a számottevő mechanikai veszteségeket is el lehetne felejteni, akár olcsóbbá, de mindenképpen könnyebbé téve a gépeket. Ellenben kérdés lehet, hogy kell-e vagy sem esetleges hűtőrendszer a villanymotorokhoz. És akkor még nem említettük a jóval csendesebb, sima, rezonanciamentes működést, ami nemcsak az egész napos munkavégzést teszi kellemesebbé, de az egész gépet is kíméli, hiszen az anyagfáradás, esetleges törés, kötőelem-lazulás esélye is jelentősen lecsökken.
Egy önjáró permetezőgép meghajtása alapjában véve szintén egyszerűen megoldható lenne elektromos meghajtással, ellenben az akkumulátorok vagy üzemanyagcella- és hidrogéntartályok és egy pufferakku elhelyezése már okozna fejtörést, és esélyes, hogy magát a gépet is át kellene tervezni számottevő mértékben.
Ismerve egy kombájn vagy silóbetakarító felépítését, működését, de legfőképpen a méreteit és tömegét, igencsak kérdőjeles, milyen nem dízel erőforrást lehetne bele elképzelni. Itt sem igazán a villanymotor(ok) elhelyezése lenne a nagy talány, hanem az akkumulátorok, gáztartályok és segédberendezések elhelyezése anélkül, hogy a méret és a tömeg a használhatóság rovására menne és a kb. két műszaknyi napi üzemóra is megmaradna. Aligha lehetséges! És akkor még nem említettünk olyan célirányos gépeket, mint például a cukorrépa- vagy zöldborsó-betakarító gépek.
Egyetlen megoldás tűnik reálisnak: vagy a normál LNG üzemmód, vagy ennek a hibrid változata még talán kivitelezhető lenne jelen állás szerint. És akkor még nem említettük a talajtaposás problematikáját és a közúti vonulás kérdését.
A nagy teljesítményű gépeknél és bizonyos alkalmazásoknál a legnagyobb kihívás az akkuk elhelyezése drasztikus önsúlynövekedés nélkül, ugyanakkor biztosítani a hosszú, folyamatos üzemidőt – fotók: www.kubota.com; www.danfoss.com
Mi kerül a tisztán elektromos technológiába?
Egy tisztán elektromos hajtású rakodógép esetében a hajtáslánc egy akkumulátort kap áramforrásként, valamint egy mechatronikai egységet (elektromos motor, akkumulátor, teljesítményelektronika és elektromechanikus működtetők) a gép haladásának és működtetési igényeinek vezérlésére. A teljesen elektromos, off-road alkalmazásokhoz beépített elektromos járművezérlő modulok (EVCM) számítógépes feldolgozóegységgel és szoftverrel is rendelkeznek a mozgások és a munkavégzés vezérlésére, valamint ezek folyamatos érzékelésére és felügyeletére (visszacsatolás).
Egy összekapcsolt teljes rendszerrel a gép minden egyes funkciója önállóan és pontosan vezérelhető. Gondoljunk csak egy mai csúcstechnikás traktorra és a hozzákapcsolt gépre vagy egy kombájnra, mennyi munkarészletet hangol össze a haladással és a kívánt iránnyal, beleértve a sorvégi visszafordulást is. Azonban szoftverrel, érzékelőkkel és telemetriával vannak összekötve, ami megkönnyíti a gyártók számára, hogy minimálisan invazív szoftvermódosításokkal értékes funkciókat fejlesszen ki ügyfeleik számára.
Ez hasonló ahhoz, ahogyan a Tesla és az Apple a hardverek cserélgetése helyett szoftverfrissítésekkel vezet be új funkciókat. Egy ilyen digitális szoftveres keretrendszer nemcsak automatizálhatóvá teszi a munkagépeket, de lehetőséget ad a gyártók számára, hogy digitálisan és szoftveresen konfigurálható gépeket gyártsanak a felhasználók számára.
A múltban számos, egymástól teljesen független eszközt használtunk a munkák elvégzésére. Gondoljunk csak a mobiltelefonra, a digitális fényképezőgépre, a GPS-re és a számítógépre, amely összekötött minket az internettel. Amint ezeket egyetlen termékbe integrálták, új funkciókat, értéket, sőt új iparágakat is létrehoztak. Ez nem különbözik ugyan a több gépi alrendszer digitális összekapcsolásának értékétől, azonban az összekapcsolhatóság teljesen új értéket teremt a munkagépekből, miközben biztonságosabbá, termelékenyebbé, önállóbbá és fenntarthatóbbá teszi a munkavégzést, a gazdálkodást vagy az építőipart.
A teljesen elektromos gépek előnyei
A tisztán elektromos gépek karbantartási előnyei szinte ugyanazok, mint az elektromos gépkocsiké. Kevesebb alkatrész, kevesebb érzékelő, csatlakozó, szűrő és folyadék szükséges, kivétel a hidraulikarendszer, amelyet mindig az adott feladathoz, teljesítményhez kell tervezni. A kevesebb alkatrész a kevesebb meghibásodási ponttal és a nagyobb megbízhatósággal egyenlő.
A hidraulikusról a tisztán elektromos, illetve elektromechanikus működtetésre való áttérés azt is jelenti, hogy a gépgyártó kiküszöböli a hidraulikus folyadékkal járó szivárgásokat és olajcsereköltségeket is. Igaz, ennek még jelen alkalmazása eléggé behatárolt, de erre még részletesen visszatérünk egy külön fejezetben.
A tisztán elektromos meghajtás nemcsak nullemissziót eredményez, de nagyon csendes üzemmódot is.
A tisztán elektromos hajtású munkagépek kihívásai
Az első és legfontosabb az áramellátás, akár több gép nagy teljesítményű töltése egyidejűleg. Egy belvárosi építkezésen néhány toronydaru áramellátása sem okoz gondot, így a gépek gyorstöltése is minden bizonnyal megoldható. Ellenben ha a munkaterület egy új ipari övezet, kívül a városon, bizony gond lehet az ilyen szintű áramellátás, nem véletlenül látunk dízelüzemű gépeket és autódarukat. Ugyanez igaz a mezőgazdaságra: a szántóföldeken ma még komoly technikai háttér kellene, dízelgenerátornak nincs értelme elektromos traktorhoz, és az üzemanyagcellás áramfejlesztőnek a hidrogénellátását kellene megoldani.
Az agrárdrónok és agrobotok csereakkus működtetése és helyben napelemes töltése reális, van rá gyakorlati példa. Bár ez is pluszlogisztikát igényel, igaz, jóval könnyebb, mint a fentiek.
Sok üzemeltető nem bízik az elektromos gépek teljesítményében, holott sokkal erősebbek, a maximum nyomaték azonnal rendelkezésre áll, közvetlen meghajtás is lehetséges, és a hidraulikarendszernél semmi különbség nem tapasztalható abban, hogy dízel- vagy villanymotor hajtja. Sőt, az üzemidő sem kritikus, mert mindig csak az a motor hajt és csak addig, amíg szükséges, nincs felesleges üresjárat és áramfogyasztás!
Az akkumulátortechnológia fejlődése az elmúlt néhány évben rohamléptekkel haladt előre, ezért ma már az akkumulátorok a kompakt rakodókhoz, teleszkópgémes rakodókhoz, de akár kisebb traktorokhoz is elegendő kapacitást biztosítanak. Az akkumulátortechnológiában azonban még további előrelépéseknek kell történnie a nagyobb járművek, traktorok és más gépek – akár az építőiparban és erdészetben is – villamosításához.
Végső gondolatok
10 év távlatából visszatekintve figyelemre méltó fejlődést láthatunk az analóg gépektől az intelligens digitális gépek felé. Ez az átmenet lehetővé teszi a munkagépek távvezérlését és autonóm működését, valamint a működési adatok gazdagságát. A megfelelő tervekkel és gyártási rendszerekkel az OEM-ek összegyűjthetik ezeket az adatokat, és olyan kulcsfontosságú betekintést nyerhetnek, amely növeli az alkalmazások hatékonyságát. Amennyiben a gépeket fejlett érzékelőkkel és alkalmazhatóságokkal kombinálja, az már túlmutat a hagyományos flottatelematikán.
Ahogy a gépek és rendszerek egyre intelligensebbé válnak, a mesterséges intelligencia katalizátorként szolgálhat a még fejlettebb alkalmazásokhoz, ami az intelligens, digitális gépek széles körű bevezetését fogja eredményezni az off-road szegmensben.
A fejlődés be fog gyűrűzni, sőt mára már be is gyűrűzött a szimulátoros képzés-oktatás területére is a háttér-elektronikáknak és IT-fejlesztéseknek köszönhetően, és a veszélyes munkakörülmények esetén a távműködtetés jut szerephez, míg az autonóm funkciók a munkaerőhiányra jelenthetnek megoldást.
Akkumulátorcsomagok – a fejlődés kulcsa
Amikor a gyártók elektromos üzemű járműveket vagy munkagépeket fejlesztenek, a tervezés során a lehető legkorábban figyelembe kell venniük, hogy milyen méretű akkumulátorra van szükség, hogy elkerüljék a költséges időközbeni módosításokat, illetve költséghatékonyan tudjanak élni a moduláris konstrukció elvével.
Most pedig vegyük sorra a fő szempontokat!
Mi az első lépés a már meglévő vagy teljesen új gépek villamosítási projektjében? A teljes architektúra felülvizsgálata. Ez igaz a hidraulikus funkciók részbeni vagy teljes átalakítására, mechanikussá tételére (direkthajtás/működtetés) vagy a fődarabok helyének újraelosztására. Egy másik kritikus szempont az alkatrészek és fődarabok méretezése: az akkumulátor, a villanymotor, a teljesítményigény és a töltőrendszer állnak az első helyen.
Milyen tényezőket kell figyelembe vennie a gépgyártóknak az akkumulátor kiválasztásakor?
Az első számú szempont az adott gép felhasználók számára elfogadható, folyamatos, 100%-os töltöttségről mért üzemidejének meghatározása, és az ehhez szükséges energiamennyiség tárolása alapján történik a legmegfelelőbb akkumulátor kiválasztása. Továbbá az akkumulátor méretezését is ki kell számítaniuk. Az akkumulátor a gép teljes költségének akár 50%-át is elérheti, ezért a megfelelő kiválasztás kulcsfontosságú a projekt költségvetésen belül tartásához és akár a leendő vételárhoz!
Méret, ár, moduláris variálhatóság, könnyű beépíthetőség. Kulcskérdés egy sikeres gépprojekthez – fotó: www.dreamstime.com
A könnyű gyorstöltés vagy akkucsere akár a puszta közepén is alapvető a projekt sikeréhez – fotó: www.researchgate.net
Hogyan határozható meg az elfogadható működési ciklus?
A tervezők általában a legrosszabb forgatókönyv szerinti üzemidőciklus (folyamatos üzemidő) tervezését kezdik, majd visszafelé haladva határozzák meg a legjobb választást. Ha rendelkezésre állnak, a hagyományos gépek (motor és hidraulika) telematikai adatai hasznosak lehetnek, mivel konkrét számadatokat adnak a tervezőknek a szükséges üzemi ciklus kiszámításához. Ellenkező esetben a számításokat a gép és az alkalmazás specifikációi alapján kell elvégezni.
Soktényezős tervezés és fejlesztés
Gyakran kompromisszumot kell kötni a teljesítmény- és üzemidő-elvárások és az új gép méretei, formai kialakításai között. Nem beszélve az újratöltés lehetőségeiről bizonyos alkalmazásoknál. Éppen ez az a pont, ahol egyelőre elakad a gyakorlati megvalósíthatóság például a nagy teljesítményű mezőgazdasági vagy erdészeti gépeknél.
A gépkocsik villamosításának kezdeti időszakában (már jó 100 évvel ezelőtt, de az 1980-as évek végéig is) az akkumulátorok sokkal terjedelmesebbek voltak, mint manapság, ami azt eredményezte, hogy a járműveket az akkumulátor méretéhez kellett tervezni. Most, hogy nemcsak többféle moduláris méret és sokkal nagyobb teljesítményarány – kg/kWh – áll rendelkezésre, a tervezés és az alkalmazás általában elsőbbséget élvez. Ettől függetlenül ahány gyártó (gépkocsik, munkagépek, agrobotok, targoncák stb.), annyiféle igény – köztük a tervezett tápfeszültség –, amit elég nehéz lekövetni az akkumulátorgyártóknak.
Milyen szerepet játszik a feszültség a villamosításban?
A gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából azt tanítják, hogy a magasabb feszültség jobb. Ezt azonban nem lehet általánosítani, mert vannak alkalmazások, ahol a magasabb feszültségre lehet szükség, míg más területeken előnyösebb az alacsony feszültség.
Sok gyártó gyakran a 60 volt alatti feszültségtartományt célozza meg gyártási költség, munkavédelmi előírások miatt, ellenben a gépek teljesítményének és alkalmazhatóságának szempontjából ez gyakran korlátokat jelent. Egy másik szabványos feszültségküszöb a 150 volt; amely gyártók ezen érték alatt tudnak maradni, azoknak a gépalkatrészek sokkal szélesebb köre áll rendelkezésre (pl. raktári targoncák, kisméretű agrárcélú rakodógépek, mini munkagépek stb.).
Mint látható a gyakorlatban, a nagy, neves gyártók is csak fokozatosan, megfontoltan lépnek az elektromos üzemmód terén, és nem minden gépszegmensben. A gépek közül is elsősorban a legkeresettebb típusoknál történt elsőként az átállás, pontosabban kínálatbővítés, mert a dízelmotorokra még jó ideig számítanak, és minden bizonnyal az üzemeltetők is.
Továbbá fontos tényezők még a teljesítmény, a nyomaték és a munkasebesség, mert nemcsak az akkucsomag, hanem leginkább ezen jellemzők köré kell felépíteni az összes gépészeti egységet és azok vezérlését, összehangolt működését, hogy a gép azt nyújtsa, amit elvárnak az üzemeltetők. Ellenkező esetben a piaci siker elmarad, bármi is hajtsa az adott gépet.
A nagy teljesítményekhez jóval nagyobb üzemi feszültség is szükséges, amely nagyobb akkucsomagot, kellően biztonságos és ezért drágább hálózatot tesz szükségessé – fotó: www.dreamstime.com
Cikkünknek folytatása következik!
Források: www.powermotiontech.com; www.zapigroup.com; www.oemoffhighway.com
_fill_360x200_0.jpg "Ezt tudják élesben a Väderstad gépei")
