Mobil makine tasarımında dijitalleştirme ve elektrifikasyon zorlukları

Nils Henriksson
Parker Hannifin – Mobile Center of Excellence Manager

İklim değişikliğinin etkisini sınırlamaya yönelik global taahhüt, çeşitli endüstrilerde birçok girişimin ortaya çıkmasına neden oldu. Ülkeler, endüstriler ve şirketler, belirli çevresel hedeflere ulaşmak için eylem planları benimsedi. Örneğin; o dönemde Ericsson’ın Bilgi ve İletişim Teknolojileri (BİT) Sürdürülebilirlik Etkileri Baş Araştırmacılarından biri olan Pernilla Bergmark, Aralık 2015 tarihli Paris Anlaşması’nın devamı niteliğinde olan 2019 yılındaki Küresel İklim Eylemi Zirvesi’nde; “Katlanarak artan iklim eylemleri ve dijital teknolojiler yardımıyla küresel emisyonların 2030’a kadar yarıya indirilmesi” başlıklı bir bildiri sunmuştu. Mobil makineler için sürdürülebilir enerji kaynaklarına geçişin temeli, Net Sıfır’a yönelik bu global hedeften kaynaklanıyor.
Bu makalede, mobil makine tasarımında elektrifikasyona ve dijitalleştirmeye ilişkin temel konular ele alınmaktadır. Elektrifikasyon, karbon emisyonlarını azaltarak sektörün sürdürülebilirliğine katkıda bulunur. Dijitalleştirme ise OEM’lerin dizel yakıtın enerji içeriğine kıyasla batarya kapasitesinin sahip olduğu sınırlamaları göz önüne alarak makine tasarımlarını ve performanslarını optimize etmelerini sağlar.

Sürdürülebilirlik
Dünyanın dört bir yanındaki düzenleyici kuruluşlar, global sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için ağır hizmet alanında daha zorlu emisyon standartları belirliyor. EURO VI, şu anda en yüksek düzenleyici standarttır ve birçok ülke bu standartla uyumluluk sağlamış durumdadır. Fosil yakıtların zararlı emisyonların başlıca kaynağı olması, OEM’lerin yükselen emisyon standartlarıyla uyumluluğu sürdürmek için diğer yakıt kaynaklarını araştırmasına neden oluyor. Bazı alternatifler makinelerde minimum değişikliği gerektirirken, diğerleri bütünüyle yeni bir tasarımı gerektiriyor.
Hidrojenle İşlem Görmüş Bitkisel Yağ (HVO100) gibi dizel alternatifleri, makinelerde hiçbir değişiklik yapılması gerekmeden emisyonları azaltmak için dizelle karıştırılabilir. Öte yandan, Li-ion bataryalar neredeyse sıfır emisyonlarıyla fosil yakıtlardan tamamen uzaklaşılmasını mümkün kılar. Bununla birlikte, Li-ion bataryalar makine üzerinde önemli ölçüde yer kaplar ve düzenli olarak şarj edilmeleri gerekir. Hidrojenle çalışan yakıt hücreleri, elektrifikasyonun avantajlarını Li-ion bataryalara kıyasla daha yüksek bir enerji yoğunluğuyla sunar. Hidrojen yakıt hücreleri, büyük makinelere güç sağlamak için Li-ion bataryalara kıyasla daha kompakt bir çözüm sağlar, ancak hidrojeni büyük hacimlerde depolamak ve dağıtmak konusunda zorluklar söz konusudur.
Parker Hannifin, müşterilerin alternatif enerji taleplerini karşılayacak modüler elektrifikasyon çözümleri sağlar. Global araç invertörlerinden oluşan GVI serisi ve global araç motorlarından oluşan GVM serisi, bu çözümlerin merkezinde yer alır:
⦁ 200-800 V’luk bir çalışma aralığına sahip olan GVI mobil invertörler, sırasıyla 360 A, 180 A ve 108 A’lik nominal akım değerleri sağlayan üç modelde sunulmaktadır. Elektrikli mobil makinelerin güvenliğinde kritik öneme sahip bir bileşen olan GVI invertörler, hem EN ISO13849 hem de ISO26262 standartlarını karşılar.
⦁ GVM mobil motorlar, GVI invertörlerle uyumlu bir çalışma aralığına sahip Sabit Mıknatıslı Alternatif Akım (PMAC) motorlarıdır. GVM motorlar, 1.430 Nm azami tork, 409 kW azami güç ve 9.500 dev/dk azami hız sunar.

Dijitalleştirme
Mobil makineler enerji tüketir, ancak bu enerjinin yalnızca çok küçük bir kısmı faydalı işe dönüşür. Makinenin çalışması sırasında ne kadar enerjinin hangi amaçla kullanıldığını bilmek çok önemlidir. Mühendisler, iş döngüsünün her bir aşamasındaki enerji tüketimini analiz etmek için enerji haritalarını kullanır. Bu proses, enerji kayıplarını belirlemelerine ve tasarımlarını enerji verimliliği bakımından optimize etmelerine olanak tanır. Elektrikli mobil makinelerde batarya ömrünü en üst seviyeye çıkarmak için enerji geri kazanımına yönelik fırsatlar da araştırılabilir.
Dijital bir çözümün merkezinde, işlevsel güvenlik çözümlerini yerine getirmek üzere çok çeşitli bağımsız sensörlerin bağlanabileceği model tabanlı bir işlev ortamı kullanan mobil kontrol sistemi yer alır. Bu kontrolörlerin çıkışı, makinenin elektromekanik sistemlerini ideal güç kullanımını sağlayacak ve güvenli sınırlar içinde kalacak şekilde çalıştıran akıllı cihazlara bağlanır.
Parker’ın mobil makinelerin dijitalleştirilmesine katkıda bulunan bazı önemli ürünleri şunlardır:
⦁ VA mobil vanalar, geleneksel yük algılama vanalarına kıyasla daha düşük basınç kayıplarına sahip olan ve bu sayede enerji tasarrufu sağlayan yeni nesil vana serileridir. Akıllı yazılım işlevleri üretkenliği artırmaya olanak tanırken, münferit ölçüm özelliği de verimliliği artırmaya yardımcı olur. Araştırmalar, aynı makine üretkenliği için münferit ölçüm özellikli akıllı vanaların, geleneksel yük algılama vanalarına kıyasla pompa basıncını yüzde 11, enerji tüketimini ise yüzde 8,4 oranında azalttığını gösteriyor.
⦁ P1M hidrolik değişken mobil pompalar, beş farklı modeliyle 28-85 cc arasında değişen bir deplasman aralığını kapsar. Yüksek performanslı elektronik deplasman kontrolü, tam olarak ihtiyaç duyulan miktarda güç sağlar.

Elektrifikasyonun ve dijitalleştirmenin sinerjisi
Elektrifikasyon ve dijitalleştirme, elektromekanik ve hidrolik sistem tasarımı arasındaki etkileşimi optimize etmek için birlikte çalışır. Bu, hidrolik işlev için gereken gücün tam olarak ve ihtiyaç duyulan anda sağlanması anlamına gelir. Geri kazanılan enerji, şarja takılmadan önceki kullanım süresini uzatmak üzere bataryayı şarj eder.
Elektrikli mobil makine çözümünün her bileşeni kendi işlevini yerine getirir; ancak, bu bileşenlerin bir arada çalışabileceği şekilde tasarlanmış birleşik bir sistem, elde edilecek avantajları optimize edebilir. Örneğin; invertör, motor ve hidrolik pompadan oluşan yapılandırılmış bir e-Pompa çözümü, son derece verimli bir sistemdir. e-Pompa, çok geniş bir hız/tork kontrolü aralığında yüksek bir dinamik yanıt sağlar. Tasarımcılar, sistemin genelindeki sıvı soğutma kapasitesinin yanı sıra iş döngüsünün her noktasındaki güç yoğunluğunu da optimize edebilirler.
Yazılım araçları, esnek bir makine düzenine dayalı sistem tasarımlarını da kolaylaştırabilir. Örneğin, enerjiyi hidrolik biçimde aktarmak yerine elektrik yoluyla aktarmak daha verimlidir. Bu durum, mobil makinenin her iki aksına bağlı tek bir motor yerine her bir aksı için ayrı elektrik motorlarının kullanılmasına yol açabilir.
Makine devreye alındıktan sonra kontrolörler, elektrik motorlarını kontrol eden optimize edilmiş çıktıları üretmek amacıyla hidrolik devrelerdeki ve elektrik sistemindeki sıcaklık, basınç ve debiyle ilgili sensör bilgilerinden yararlanır. Başka bir ifadeyle dijitalleştirme, hidrolik aksamı enerjiyi en verimli şekilde kullanacak şekilde çalıştırmak için elektromekanik sistemden yararlanır.

Elektrifikasyon iş ortakları
Mobil makineler, hidrolik pompalara güç sağlayan dizel motorlarıyla on yıllardır aynı temel biçimde var olmuştur. Elektrifikasyona geçiş, bu geçişi yönetecek kapsamlı bileşen uzmanlığına veya mevcut kaynaklara sahip olmayan birçok OEM için yeni bir alandır. Sonuç olarak, OEM’lerin gerekli uzmanlığı sağlayacak ve mobil makinelerinin elektrikli modellerini pazara sunma sürelerini hızlandıracak iş ortaklarına ihtiyacı vardır.
100 yıldır hidrolik sistemlerle ilgilenen Parker, yıllar içinde mobil makinelerin işlevsel tasarımıyla ilgili kapsamlı bilgi birikimine de sahip olmuştur. Ürün yelpazesi, çok çeşitli uygulamalarda makinelerin iş döngüsüne ulaşmak için bir bütün olarak çalışan sistemlerin tasarımındaki uzmanlığını destekleyecek seviyededir.
Parker’ın çözümleri, mobil makinelerin elektrifikasyonu ve dijitalleştirilmesiyle ilgili tüm konuları kapsar. Tipik bir proje, müşteri hedeflerinin ve mevcut makine performansının kapsamlı bir değerlendirmesiyle başlar. Parker’ın hizmetleri arasında, içten yanmalı motorlardan elektrik motorlarına basit geçişin yanı sıra enerji optimizasyonu için makineyi yeniden tasarlamak amacıyla kapsamlı enerji haritalaması ve veri analizi de yer alır.
Şirket bünyesindeki uzmanlık, havacılık ve uzay sanayi de dâhil olmak üzere çeşitli endüstrilerden kaynaklanmaktadır. Bu kurumsal deneyimi temel alan Parker, mobil makinelere kolayca uygulanabilecek modüler yapı taşları ve basitleştirilmiş kontrol arayüzleri geliştirmiştir. Sonuç olarak; Parker, OEM’lerin elektrikli makineleri pazara sunma süresini kısaltmasına yardımcı olabilir.

Özet
Net Sıfır hedefi, çok çeşitli endüstrilerde global ölçekte büyük ilgiyle karşılanan, global bir zorunluluktur. Pek çok OEM’in içten yanmalı motorlu makinelerinin elektrikli modellerini geliştirdiği mobil makine endüstrisi de bir istisna yaratmaz.
Elektrifikasyon çözümleri sürdürülebilirliğe katkıda bulunsalar da, enerji açısından verimli tasarımların faydalarını en üst seviyeye çıkarmak ve pazara sunulma süresini kısaltmak için bunların dijitalleştirmeyle birleştirilmeleri gerekir.
Parker, elektromekanik ve hidrolik sistem tasarımında onlarca yıllık deneyimin yanı sıra, çeşitli endüstrilerde on yıllar boyunca mükemmelleştirilen elektrifikasyon ve dijitalleştirme uzmanlığına da sahiptir. O yüzden de Parker, OEM’lerin elektrikli mobil makinelere geçiş sürecinde ilerlemelerine yardımcı olacak ideal iş ortağıdır.