A novel electro-hydrostatic energy storage for hybrid mobile working machines : Performance evaluation in a wheel loader working hydraulic system

Abstract

The concerns about the environmental impact of mobile working machines have resulted in stricter emission regulations. Moreover, rising fuel prices have pushed mobile working machine manufacturers to seek more energy efficient powertrain solutions. A prominent approach to address these objectives is powertrain hybridization. The concept of a hybrid powertrain is based on the ability to store energy between the prime mover, which is often a combustion engine, and the load. This enables the decoupling of the power supply and demand, which allows the optimization of the prime mover’s operating point with respect to energy consumption and emissions. Furthermore, the stored energy can be used to assist the prime mover during periods of high power demand. The energy storage can also be utilized for energy recuperation as well as for efficient control of the load. In mobile working machine applications, the requirements for an energy storage are different from those imposed by on-road vehicles, due to working cycles involving substantial load fluctuations and high relative peak loads. This makes the power density of the energy storage a critical selection criterion in hybrid mobile working machine applications. While hydro-pneumatic accumulators offer superior power density compared to electric and mechanical alternatives, they suffer from low utilization of their energy storage potential, problematic dynamic characteristics, and inefficient control strategies. In this thesis, the feasibility of a novel electro-hydrostatic energy storage in a wheel loader application is investigated. The dimensioning and control of the energy storage components are studied in a simulation study using a dynamic model that focuses on the wheel loader’s working hydraulic system. The performance of the electro-hydraulic hybrid powertrain is evaluated in terms of energy efficiency, pressure controllability, and peak power reduction potential. The results indicate an energy consumption reduction of over 11% compared to a conventional wheel loader, while the dimensioning of the electric components can be significantly reduced compared to a hybrid electric powertrain by reducing the peak load torque of the electric motor by over 50%.

Huoli liikkuvien työkoneiden ympäristövaikutuksista on johtanut tiukentuneisiin päästörajoituksiin. Lisäksi nousevat polttoainekustannukset ovat pakottaneet työkonevalmistajia etsimään energiatehokkaampia voimansiirtoratkaisuja. Yksi keskeinen keino näiden tavoitteiden saavuttamiseksi on voimansiirron hybridisointi. Hybridivoimansiirto perustuu kykyyn varastoida energiaa voimanlähteen, joka on usein polttomoottori, ja kuorman välillä. Tämä mahdollistaa tehontuotannon ja -kulutuksen irtikytkemiseen toisistaan, mikä puolestaan mahdollistaa voimanlähteen toimintapisteen optimoinnin energiankulutuksen ja päästöjen vähentämiseksi. Lisäksi varastoitua energiaa voidaan käyttää voimanlähteen avustamiseen, kun tehontarve on korkea. Energiavarastoa voidaan hyödyntää myös energian talteenotossa sekä kuorman energiatehokkaassa säädössä. Liikkuvien työkoneiden asettamat vaatimukset energiavarastoille poikkeavat tieliikenneajoneuvojen asettamista vaatimuksista, sillä liikkuvien työkoneiden työsyklit sisältävät huomattavia kuormanvaihteluita ja suuria huipputehoja. Vaikka hydropneumaattiset paineakut tarjoavat sähköisiin ja mekaanisiin energiavarastoihin verrattuna erinomaisen tehotiheyden, niiden heikkouksina ovat energian varastointipotentiaalin vaikea hyödyntäminen, epäedulliset dynaamiset ominaisuudet sekä häviöt tehonsäädössä. Tässä työssä tutkitaan uuden sähköhydrostaattisen energiavaraston sopivuutta pyöräkuormaajan voimansiirron hybridisointiin. Energiavaraston komponenttien mitoitusta ja ohjausta tarkastellaan simulaatiotutkimuksessa, jossa käytetään pyöräkuormaajan työhydrauliikan dynaamista mallia. Sähköhydraulisen hybridivoimansiirron suorituskykyä arvioidaan energiatehokkuuden, paineen säädettävyyden sekä voimanlähteen huipputehon vähentämispotentiaalin näkökulmasta. Tulokset osoittavat energiankulutuksen vähenevän yli 11 % verrattuna pyöräkuormaajaan ilman hybridivoimansiirtoa, samalla kun voimansiirron sähköisten komponenttien mitoitusta voi daan merkittävästi pienentää verrattuna sähköiseen hybridivoimansiirtoon vähentämällä sähkömoottoria kuormittavaa vääntöä yli 50 %.