Kraftstoff einzusparen und somit Emissionen zu reduzieren wird immer wichtiger – auch für Betreiber von mobilen Arbeitsmaschinen. Eine Lösung, um den Betrieb von Bau- und Kommunalmaschinen effizienter zu gestalten, sind Schwungrad-Energiespeicher, die während Niedriglastperioden Energie aufnehmen und bedarfsgerecht bei Lastspitzen wieder abgeben. STW aus Kaufbeuren liefert mit der ESX.3cs eine Kompaktsteuerung, die das Energiemanagement solcher Systeme performant gestaltet.
Energie wird immer teurer. Egal, ob es um Diesel, Gas oder elektrische Energie geht. Betreiber und Hersteller mobiler Arbeitsmaschinen suchen daher nach innovativen Konzepten, welche den Kraftstoffverbrauch senken. Eine Möglichkeit sind Schwungrad-Energiespeicher, wie sie PUNCH Flybrid produziert. Die Energiespeichersysteme der Spezialisten aus dem englischen Silverstone eignen sich für eine Reihe von Einsatzfällen in Off-Highway-Maschinen – von Baggern und Turmdrehkranen bis hin zu mobilen Diesel- und Gasgeneratoren. Das integrierte Antriebssystem entlastet den Verbrennungsmotor, ermöglicht eine kleinere Dimensionierung desselben und spart dadurch Kraftstoff.
Optimiert für den robusten Einsatz
Die Lösungen von PUNCH Flybrid sind ausgelegt auf hohe Leistungsdichte und Langlebigkeit, wie sie in der Bau-, Land- oder Kommunaltechnik gefordert sind. Gewöhnliche Batterien oder Superkondensatoren stoßen hier häufig an ihre Grenzen. PUNCH Flybrid, die ursprünglich das erste KERS für die Formel 1 entwickelten, kennen sich mit extremen Leistungsspitzen bestens aus. Das Prinzip des Schwungradspeichers ist ähnlich dem der Rekuperation von E-Autos. Das Schwungrad fängt die Energie auf, die normalerweise beim Abbremsen einer Maschine bis zum Stillstand oder beim Absenken des Auslegers eines Baggers verloren gehen würde, und gibt sie beim nächsten Arbeitszyklus wieder ab.
Eine der Lösungen von PUNCH Flybrid ist das PUNCH Power 200 (PP200), das für Stromerzeugungsanwendungen eingesetzt wird. Durch diese Schwungrad-Speicherlösung erhöht sich die Effizienz der Maschinen enorm. Die zusätzliche Leistung kann entweder als Boost-Funktion oder zur Kraftstoffeinsparung genutzt werden.
Baumaschinen profitieren enorm
Tobias Knichel, Managing Director bei PUNCH Flybrid, erläutert typische Anwendungsszenarien des Schwungradsystems: „Unsere Lösung ist insbesondere in Baumaschinen mit ihren immer wiederkehrenden Arbeitszyklen von Vorteil. Ein Turmdrehkran etwa wechselt stets zwischen Leerlauf und maximaler Leistung. Das Schwungradsystem wird geladen, wenn sich der Dieselgenerator, der den Turmkran antreibt, im Leerlauf befindet. Sobald der Kran eine schwere Last heben muss und somit Leistung vom Dieselgenerator verlangt, speist das Schwungrad Energie mit hoher Leistung ein, um den Dieselgenerator zu unterstützen. Dadurch kann ein kleinerer, effizienterer Dieselgenerator in Kombination mit dem Schwungrad-Energiesystem verwendet werden.“
Durch dieses Lastausgleichskonzept lassen sich je nach Anwendung mehr als 50 Prozent Kraftstoff einsparen. Denn der Hauptmotor kann dank des unterstützenden Schwungradspeichers kleiner ausgelegt werden. Durch dieses Downsizing kann das Aggregat mit einer höheren Grundlast betrieben werden, die Effizienz des Antriebs steigt. Bagger profitieren ebenfalls von diesem Ansatz.
Ähnlich wie im Turmdrehkran arbeitet ein Löffelbagger kontinuierlich die immer gleichen Arbeitsprozesse ab. Die Energie, die im Ausleger des Baggers beim Absenken freigesetzt wird, kann mit dem PUNCH Flybrid System in den Energiespeicher eingespeist werden. Üblicherweise wird diese überschüssige Energie als Hitze freigesetzt und geht verloren. Die gespeicherte Energie kann nun beim erneuten Heben des Auslegers genutzt werden, um den Verbrennungsmotor zu entlasten. Auf diese Weise konnten bei Testläufen bis zu 30 Prozent Kraftstoffersparnis realisiert werden. Weitere Anwendungen für das Schwungradspeichersystem sind in der Unterstützung von Stromnetzen oder Pumpenanwendungen zu finden.
Performante Steuerungslösung
Damit dieser Ansatz ohne Beeinträchtigung der Produktivität der Maschine Erfolg hat, braucht es eine Steuerungslösung, die hochdynamisch auf die Eingabesignale des Bedieners reagiert. PUNCH Flybrid entschied sich für eine Steuerung der Automatisierungsspezialisten von STW aus Kaufbeuren. „Wir verwenden die ESX.3cs als Master Controller in unserem PUNCH Power 200 System. Die Steuerung liefert die notwendige Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung, die wir für unsere Lösung benötigen. Außerdem überwacht sie das gesamte System inklusive Kühlung“, erklärt Tobias Knichel.
Das PUNCH Power 200 System stellt innerhalb von 10-20ms die zusätzliche gespeicherte Energie zur Verfügung. „Die ESX.3cs war für uns die optimale Lösung. Sie übernimmt das Management der Leistungselektronik, ist robust genug für den Einsatz unter harschen Umgebungsbedingungen und zudem kompakt, so dass wir sie einfach in unser System integrieren können.“
In der ESX.3cs übernimmt ein 300 MHz schneller 32-Bit-Microcontroller mit vier MB Flash und acht MB SRAM die Signalverarbeitung. Externe Signale können über zwei CAN-Schnittstellen, eine serielle Schnittstelle, Ethernet und LIN-Schnittstelle angebunden werden. Ein zweiter unabhängiger Prozessor überwacht verschiedene Systemspannungen und den Programmablauf. Bei Bedarf schaltet dieser alle Ausgänge über einen zweiten Abschaltweg ab bzw. setzt den Main-Controller in Reset. Digitale und analoge Rücklesungen für nahezu alle Signalzweige erlauben eine umfassende Diagnose des Systems inklusive der Ein- und Ausgänge. Dank dieser Features lassen sich mit der ESX.3cs funktional sichere Anwendungen gemäß EN ISO 13849 und IEC 61508 umsetzen. Auch dies ist ein wichtiger Aspekt für hochautomatisierte Anwendungen, wie sie in mobilen Arbeitsmaschinen verstärkt Einzug halten.
Die Applikationssoftware für die ESX.3cs macht es dem Entwickler komfortabel, seine Applikation effizient zu programmieren. Zahlreiche Komfortfunktionen, wie beispielsweise Stromregler und Rampenfunktionen für Ausgänge oder Frequenzmittelung für Eingänge, sind bereits in der Programmierschnittstelle integriert.
Die Steuerung hilft somit dabei, Maschinen die Energie zur Verfügung zu stellen, die notwendig ist, um sie möglichst mit optimaler Effizienz zu betreiben. Das Resultat sind geringere Emissionen und ein stark reduzierter Kraftstoffverbrauch des antreibenden Verbrennungsmotors. Hiervon profitieren Maschinenbetreiber und die Umwelt gleichermaßen.
