Tekniikkaa ja tietoa

Sähkön ja dieselin liitto - Työkoneiden hybridisaatio

Kiristyvät ympäristömääräykset ja jatkuvasti kasvavat polttoainekustannukset edellyttävät tekniikkamurrosta. Päästöt ja energiakulut halutaan alas. Dieselsähköinen hybriditekniikka voi olla ratkaisu ongelmaan.
Monissa työkoneissa keskimääräinen teho on vain murto-osan maksimitehosta. Kuva esittää erään harvesterin tehontarvetta ajan suhteen. Tässä koneessa tarvitaan noin 150 kW:n tehoinen dieselmoottori, jonka teho vaihtelee työsuorituksesta riippuen tyhjäkäynnin ja maksimitehon välillä. Keskiteho kuvan kuormituksessa on noin 50 kW.

Monissa työkoneissa keskimääräinen teho on vain murto-osa maksimitehosta. Esimerkiksi harvestereissa tarvitaan noin 150 kW:n tehoinen dieselmoottori, jonka kuormitus vaihtelee työsuorituksesta riippuen tyhjäkäynnin ja maksimitehon välillä. Kaatopään ketjusaha tai syöttörullat tarvitsevat hetkellisesti kaiken saatavissa olevan tehon, kun taas monissa työvaiheissa moottorilta tarvitaan vain pieni osa sen suorituskyvystä.

Kun tehontarve vaihtelee voimakkaasti, ja keskiteho on huipputehoon verrattuna matala, hybridisoinnilla voidaan saavuttaa suuria etuja. Jos koneesta puolestaan tarvitaan jatkuvasti maksimitehoa, ei hybridisaatiolla ole paljoa annettavaa.

Hybriditekniikalla työkoneissa tarkoitetaan tekniikkaa, jossa koneen voimansiirtoketjussa on perinteinen dieselmoottori, sähkökone sekä sähköinen energiavarasto. Energiavarastona voi toimia joko akkupaketti tai superkondensaattori. Optimaalista työkoneen sähköenergiavarastoa ei toistaiseksi ole markkinoilla.

Rinnakkaishybridi avittaa dieseliä

Rinnakkaishybridissä dieselin kampiakselille on kytketty sähkökone, joka toimii vuorotellen moottorina tai generaattorina. Kun dieselin tehoa ei tarvita työkoneessa, ladataan akkuja. Kun tarvitaan suuri teho, muuttuu sähkökone moottoriksi auttaen dieseliä selviytymään tehohuipusta. Vanhaan koneeseen ei tarvita muita muutoksia kuin dieselin kytkinkoteloon sähkökone ja oheen sen ohjaus sekä energiavarasto.

Voidaan ajatella, että esimerkiksi alun perin 160 kW:n diesel voidaan korvata 50 kW:n dieselillä ja maksimiteholtaan 110 kW:n sähkökoneella. Dieselin pienentäminen kolmannekseen tuottaa hyödyn mm. tyhjäkäyntitehon pienenemisenä. 160 kW:n dieselin tyhjäkäynnissä omakäyttöteho on noin 16 kW.

Urakoitsija maksaa huonolla hyötysuhteella tuotetun 16 kW:n tuottamiseen tarvittavan polttoaineenkulutuksen, vaikka kone vain odottaa seuraavaa työtehtävää. Hybridissä sopivan kokoinen moottori toimii jatkuvasti lähellä parhaan ominaiskulutuksensa pistettä.

Rinnakkaishybridi asettaa joitakin rajoitteita. Esim. ajovoimansiirron pyörimisnopeutta tai nostonopeutta ei aina voida säätää itsenäisesti, kun järjestelmän kaikki veto tapahtuu samalla voimakoneen akselilla.

Sarjahybridi on pelkkää sähkövoimansiirtoa

Sarjahybridissä diesel irrotetaan mekaanisesti työkoneen voimansiirrosta ja se pyörittää vain generaattoria. Sarjahybridissä koneen voimansiirto menee kokonaan uusiksi ja toteutetaan sähköisesti. Sähkömoottorikäyttö on säädettävyydeltään ylivertainen, se reagoi vääntötarpeeseen millisekunneissa.

Tämän hyödyntäminen parantaa merkittävästi esim. metsäkoneen hallittavuutta. Energian talteenotto on myös helppoa. Sarjahybridi on kallis, mutta saavutetut säästöt ja työkoneen ominaisuuksien helppo optimointi painavat vaakakupissa.

Riittävällä sähkövarastolla laite toimii haluttaessa akkukäyttöisenä, jolloin esim. rakennusten sisällä voidaan ajaa ilman pakokaasuja. 30 kWh:n akku tarjoaa työkoneelle 10–20 minuutin täystehoisen toiminta-ajan ilman latausta. Akun voi ladata myös sähköverkosta.

Käytännössä esiintyy sekä rinnakkais- että sarjahybridijärjestelmiä sekä niiden erilaisia yhdistelmiä. Riippuu täysin työkoneen työsyklistä, millainen järjestelmä on tehokkain. Esimerkiksi Visedon ja Keslan kehittämässä hakkurissa on päädytty sarjahybridiin.

Hybridikoneen pääkomponentit

Hybridisoinnin peruselementtejä ovat mobiilisovelluksiin suunnitellut generaattorit, moottorit, tehoelektroniset ohjaimet, niiden säätötekniikka ja sähköiset energiavarastot.

Työkone on tehoelektroniikalle varsin haastava sovelluskohde. Lämpötilavaihtelut, kosteus, tärinä, iskut jne. asettavat kovat vaatimukset mobiilille tehoelektroniikalle.

Hybridisoinnin kaikki peruselementit ovat teknisesti kohtalaisen valmiita otettaviksi raskaaseen käyttöön. Akkutekniikka on harmillisen kallista. Tyypillisessä työkoneessa tarvitaan enintään kohtalaista (esim. 5 kWh) energiakapasiteettia, mutta tehonkäsittelykyvyn tulisi olla suuri.

Tällä hetkellä parhaita ovat litiumtitanaattiakut, joita saa jatkuvasti kuormittaa kuusinkertaisella virralla nimellisvirtaan nähden ja hetkittäin 10-kertaisella virralla. Kennojännite on 2,3 V, energiatiheys 130 Wh/kg ja tehotiheys 1,3 kW/kg.

Superkondensaattorit

Koska akut ovat kalliita, näyttää superkondensaattori olevan tämän hetken valinta sähkövarastoksi. Sen kennojännite on 2,2 V, energiatiheys on noin 1,5–3,5 Wh/kg ja tehotiheys vaihtelee 3–6 kW/kg. Ongelmaksi jää pieni kapasiteetti, jolloin osa hybridisoinnin eduista menetetään, kun diesel joutuu sittenkin puutteellisen sähkövarastokapasiteetin vuoksi osallistumaan kuorman tehonsäätelyyn.

Työkoneissa tarvittavat tehot ovat niin suuria, että pienoisjännitekäytöt (<120 VDC), eivät yleensä tule kysymykseen. 150 kW:n tehoisen käytön sopiva jännitetaso on sama kuin teollisuudessa eli noin 400 V. Vastaava akkujännite on vähintään 540 V. Näyttää siltä, että työkoneiden DC-jännitetaso asettuu likimäärin noin 700 V tasolle, jolla edellytetään sähköalan ammattitutkinnon suorittaneita asentajia.

Näiden komponenttien lisäksi hybridisoinnissa tarvitaan CAN-väylää (Car Area Network) hyödyntävä ohjausjärjestelmä, joka säätää dieselin ruiskutusta, generaattorikonvertteria ja ajomoottoreiden konverttereita sekä mahdollisten apulaitteiden tarvitsemien moottorikäyttöjen konverttereita. Kuljettajan kannalta kone toimii kuten ennenkin, vain perinteinen äänimaisema puuttuu.

Uudenlaisia haasteita

Urakoitsijaa tietenkin kiinnostaa, saadaanko hybridityökoneista luotettavia. Laitteet ovat selvästi monimutkaisempia kuin perinteiset laitteet, joten vikaantumismahdollisuudet kasvavat. Toisaalta sähkötekniikka on saatu toimimaan luotettavasti teollisuudessa. Koneiden rakenteisiin kohdistuvia rasituksia voidaan hyvällä säätötekniikalla vähentää. Hyvällä säädöllä kaikista kuskeista saadaan hyviä ja taloudellisesti ajavia kuljettajia.

Hybridityökoneen toteuttamiseen on todella monia vaihtoehtoja – periaatteessa ääretön määrä variantteja, mikä vaikeuttaa merkittävästi suunnittelijan tehtävää. Koko koneensuunnittelu muuttuu toisenlaiseksi verrattuna dieselvetoisen laitteen toteuttamiseen.

Aiemmin on suorituskyvyn parantamiseksi valittu aina vain tehokkaampi diesel miettimättä, mitä laite keskimäärin tekee. Nyt suunnittelija on aivan uudenlaisen haasteen edessä.

LUT tarjoaa koneen tuotekehitykseen työkalua. Reaaliaikasimulaattori mallittaa koneen mekaniikan ja sähköiset komponentit. Konetta voi virtuaalitestata ja sen komponenttimitoitukset voi päättää ennen ensimmäisenkään prototyypin rakentamista.

Juha Pyrhönen, Pertti Silventoinen

Litium-ioniakut liikkuvien työkoneiden energiavarastoina

Akkuteknologiaan pohjautuvilla työkoneilla saavutetaan lukuisia etuja: kokonaishyötysuhde paranee, ja haitalliset päästöt sekä polttoaineenkulutus vähenevät. Moottori pysyy paremmin optimaalisella kierrosalueella ja käy vain tarvittaessa, joten säästöä syntyy myös käyttötuntien vähentymisen myötä.

Optimaaliset työkoneet hybridisointia ajatellen ovat koneet, joiden työsyklissä esiintyy luonnollisia pienemmän kuormituksen ajanhetkiä, jotka voidaan hyödyntää akuston lataamiseen. Näin pystytään maksimoimaan koneen sähköinen käyttöaika ja hyödynnettävyys energiatehokkaaseen työskentelyyn.
Työkoneiden hybridisoinnissa käytetään usein akustoa yhtenä osajärjestelmänä sähköisen voimansiirron kanssa.
Työkonevalmistajien kannalta hybridikäyttö helpottaa koneen operoinnin tehokkuuden parantamista, huoltokustannusten ja päästöjen pienentämistä sekä tuo huomattavia säästöjä polttoainetalouteen.
Tällä hetkellä valmistajien suurimmat haasteet eivät ole niinkään itse akkuteknologiassa, vaan kyseistä teknologiaa hyödyntävien koneiden takaisinmaksuajan ja elinkaarikustannusten arvioinnissa.

Työkoneen energiatarve

Tietyn hybridityökoneen käyttöön sopivan litium-ioniakuston määrittäminen vaatii työkoneen energiatarpeen tunnistamisen erilaisten kuormitusten aikana. Staattiseen kuormitukseen voidaan laskea esimerkiksi tasaisen ajonopeuden ylläpitäminen ja siihen vaadittava energia. Dynaamisessa kuormituksessa otetaan huomioon erilaiset koneen liikkumisesta tai työliikkeistä johtuvat muuttuvat kuormitustilanteet kuten kiihtyvyydet ja hidastuvuudet.
Nämä kaksi erilaista kuormitustilannetta yhdessä muodostavat koneen tarkasteltavan työsyklin energiatarpeen, mikä voidaan myös esimerkiksi matemaattisesti purkaa tarkempaa tarkastelua varten.

Kennoista energiavarastoksi

Energiatarpeen ja sen osakomponenttien tunnistamisen jälkeen voidaan määrittää litium-ioniakuston vaatimukset ainakin kapasiteetin ja tehon puolesta.
Akustoon perustuvaa energiavarastoa voidaan ajatella useamman osajärjestelmän hallittavaksi kokonaisuudeksi, jonka ensimmäinen rakennuspalikka on yksittäinen akkukenno. Kennon ja akkukemian ominaisuudet usein määrittävät sovellukseen sopivan kennotyypin ja niistä muodostetun akuston.
Tyypillinen työkoneen akusto on litium-rauta-fosfaattiin perustuva, useasta sarjaan ja rinnan kytketystä kennosta koostuva kokonaisuus, jonka suoritusarvot ovat:
- Kapasiteetti 40 Ah
- Nimellisjännite 430 V
- Maksimi- ja minimijännite 360 V ja 460 V
- Maksimi lataus- ja purkuvirta 100 A ja 120 A
- Käyttölämpötila-alue (¢XC) 15 ¡V 35 ¢XC

Tällainen järjestelmä pystyy käytännössä tuottamaan 51,6 kW nimellistehon ja energiaa kyseinen kokoonpano sisältää 4 kWh. Akkumoduulin muodostavat kennot ovat usein kytketty sähköisesti sarjaan keskenään, mikä kasvattaa moduulin jännitetason korkeammaksi. Rinnankytkentä kasvattaa kapasiteettia, mutta pitää jännitetason samana. Molempia kytkentöjä käyttämällä voidaan saavuttaa haluttu jännite ja kapasiteetti.

Akun hallinta

Akustoa pitää pystyä käyttämään tehokkaasti ja turvallisesti, joten sen hallintaan käytetään järjestelmää, joka samalla valvoo akun tilaa. Akunhallintajärjestelmä ja mahdolliset lisäkomponentit mittaavat usein vähintään jokaisen kennon jännitettä (V), moduulien lämpötilaa (¢XC) ja akuston virtaa (A). Näiden perusteella hallintajärjestelmä varmistaa, ettei akuston lataus- ja purkuvirta kasva liian suureksi, kennojen jännitetaso pysyy sallituissa rajoissa ja moduulin lämpötila pysyy suositellulla alueella. Akustot ovat usein joko ilma- tai nestejäähdytteisiä.


Järjestelmä huolehtii myös akuston sähköisestä kytkemisestä ja irrottamisesta muusta työkoneen energiajärjestelmästä koneen käytön ja mahdollisten ongelmien mukaan. Hallintajärjestelmä usein ilmoittaa koneen käyttäjän näyttöpäätteelle vikatilanteista ja hälytyksistä, joilla voi olla vaikutusta koneen suorituskykyyn, ja tarvittaessa irrottaa akuston sähköisestä yhteydestä muihin komponentteihin. Mahdollisten muiden komponenttien kapasitanssi voi aiheuttaa akuston kytkentähetkellä vahingollisia virtapiikkejä, joten akusto esiladataan rajoitetulla virralla ensin tuottamaansa jännitetasoon, minkä jälkeen akusto vasta varsinaisesti kytketään muuhun sähköpiiriin.

Johtopäätökset

Kaiken kaikkiaan litium-ioniakustot ovat talla hetkellä yksi vahvimmista vaihtoehdoista työkoneen hybridisointia ajatellen. Akustojen avulla saavutettavat säästöt ja kokonaishyötysuhteen kasvu motivoivat työkonevalmistajien lisäksi myös loppukäyttäjää. Mahdollinen komponenttikustannusten kasvaminen usein voitetaan takaisin edellä mainittujen säästöjen ja tehokkuuden kasvamisen avulla, jolloin myös takaisinmaksuaika pysyy siedettävällä tasolla. Akuston valintaan vaikuttavat kriteerit ovat työkoneen energiatarpeen lisäksi turvallisuus, akuston elinikä, hinta ja suorituskyky. Lopullinen järjestelmä onkin aina kaikista vaatimuksista ja suunnittelukriteereistä muodostuva kompromissi.

Tämä teksti on lyhennelmä Juho Leskisen (TAMK, Automaatioteknologia) opinnäytetyöstä.
Lue lisää dieselsähköisistä voimansiirtoratkaisuista oheisesta Juha Pyrhösen ja Pentti Silvennoisen kirjoittamasta artikkelista (vaatii sisäänkirjautumisen).

Lue lisää