Einleitung
Dieser Anwendungshinweis beschreibt die Auswahl, Integration und Validierung eines Hochspannungs-Batteriesystems für einen batteriebetriebenen Richtbohrer (PBEV). Das Projekt, eine Zusammenarbeit zwischen WATTALPS und VERMEER, konzentriert sich auf die Anpassung fortschrittlicher Batterietechnologie an die hohen Anforderungen der horizontalen Richtbohrung (HDD) unter verschiedenen Bodenbedingungen.
Anwendungskontext
Der Vermeer-Steuerbohrer ist für den Einsatz unter unterschiedlichsten Bodenbedingungen (harter Boden, Geröll, mittelharter Boden, Lehm, weiches Gestein, sandiger Boden und weicher Boden) sowie bei extremen Temperaturen (bis zu 49 °C Umgebungstemperatur) ausgelegt.
Das Batteriesystem musste den folgenden Anforderungen hinsichtlich eines durchschnittlichen Arbeitstages und des Einschaltzyklus entsprechen:
- Tracking (30 Min.): Nur mit Akku
- Kurze Lauflängen: Nur mit Akku
- Normalbetrieb: Netzbetrieb + Akku
Kampagne zur Auswahl und Validierung von Batterien
WATTALPS lieferte einen modularen 800-V-Akku mit einer Kapazität von 21 kWh, der mit einem patentierten Immersionskühlung ausgestattet ist. Dieses System gewährleistet ein optimales Wärmemanagement und eine optimale Leistung unter extremen Bedingungen.
WATTALPS führte eine umfassende Validierungskampagne durch, um sicherzustellen, dass das Batteriesystem den hohen Anforderungen von HDD-Anwendungen gerecht wird:
- Mechanische und Umweltprüfungen: Vibrationsfestigkeit , mechanische Integrität, Feuerbeständigkeit, Überspannungs-, Überstrom- und Überhitzungsschutz, Hochdruckwasserstrahl, Untertauchen in Wasser und Salznebelbeständigkeit
- Thermische und EMV-Prüfungen: thermische Leistung bei hohen Umgebungstemperaturen von bis zu 45 °C, Kaltstartfähigkeit bis zu -20 °C, EMV-Konformität mit Normen wie EN 55011 und der IEC 61000-Reihe
Gewonnene Erkenntnisse
Intelligente Ausgleichsstrategie
Das herkömmliche Ausbalancieren am Ende des Ladevorgangs ist mit dem Dauerbetrieb im Plug-in-Modus nicht vereinbar. Um die Ausfallzeiten der Maschinen zu reduzieren, hat WATTALPS eine dynamische Ausbalancierungsstrategie eingeführt, bei der das automatische Ausbalancieren unabhängig vom Batteriezustand während der Ruhephasen erfolgt.
Da das Ausgleichen auf unterschiedliche Alterungsprozesse zurückzuführen ist, hat WATTALPS die Ursachen dieser unterschiedlichen Alterung angegangen, indem ausschließlich hochwertige Zellen ausgewählt wurden und das Batteriedesign so optimiert wurde, dass alle Zellen den gleichen Strom liefern und dank der patentierten Immersionskühlung die gleiche Temperatur aufweisen.
Einblicke in das BMS – Hohe dynamische Belastbarkeit
Der Bohrwiderstand schwankt stark aufgrund wechselnder Bodenhärte. Dank seines Systems zur Überwachung der Spannung an den einzelnen Zellen ist das WATTALPS-BMS darauf ausgelegt, starke Stromschwankungen zu bewältigen und falsche Spannungsmesswerte zu vermeiden.
Lernen und Integration von Batterien
Im ersten Prototypenaufbau war die Batteriekühlung in denselben Kühlkreislauf wie der Rest des Antriebsstrangs eingebunden, was zu hohen Kühlmitteltemperaturen für die Batterie führte. Ein spezielles Wärmemanagement mit einem kleinen Flüssigkeit-Luft-Kühler, der ausschließlich für die Batterie vorgesehen war, wurde erfolgreich implementiert. Das Kommunikationsprotokoll wurde aktualisiert, um mit J1939 kompatibel zu sein. Die Batteriebefestigung und die Konfiguration der Heizung wurden optimiert. Es wurden Maßnahmen zur Unterdrückung elektrischer Störungen umgesetzt.
Heiß- und Kaltstarttests
Die Tests unter sehr heißen Bedingungen (45 °C) zeigten, dass die Batterie selbst unter extrem anspruchsvollen Betriebsbedingungen nicht überhitzte. Tatsächlich sorgte die hohe Wärmekapazität des Kühlmittels in Verbindung mit der der Batterie dafür, dass die Batteriezellen während des größten Teils der täglichen Temperaturspitzen unter der Umgebungstemperatur blieben. Wenn die Zelltemperatur die Umgebungstemperatur überstieg, war der Luftkühler effizient genug, um die Zelltemperatur unterhalb ihrer Leistungsabschwächungsschwelle zu halten, was einen nahtlosen Betrieb bei hoher Leistung ermöglichte.
Bei Kaltstartbedingungen steigt der Energiebedarf des Systems bei gleicher Leistung, während die Leistung der Zellen bei niedrigen Temperaturen geringer ist. Um dieser Situation gerecht zu werden, ist die Batterie mit einer Heizung ausgestattet, die beim Maschinenstart aktiviert werden kann und die Batterie schnell auf ihre optimale Betriebstemperatur erwärmt. Sobald diese Temperatur erreicht ist, kann die Maschine nahtlos mit voller Leistung arbeiten. Mit WATTALPS-Batterien ist dies effizienter, da der Energiebedarf zum Aufheizen der Batterie geringer ist als der Kapazitätsverlust bei niedrigen Temperaturen. Und diese Energie kann vorteilhafterweise aus dem Netz bezogen werden, wenn der Bohrer über sein Kabel angeschlossen ist.
Projektzeitplan
Das Projekt, das im Frühjahr 2024 nach einjähriger Entwicklung von Testmodellen gestartet wurde, begann mit Prototypen und ersten Pilotprojekten. Im Sommer 2024 wurden thermische Tests, EMV-Prüfungen sowie Labor- und Feldtests durchgeführt. Die Pilotversuche in Europa wurden im Herbst 2024 abgeschlossen, und das Produkt wurde 2025 auf den Markt gebracht, wobei erste Rückmeldungen von Kunden aus der Praxis gesammelt wurden.
Schlussfolgerung
Die Integration des Hochspannungs-Batteriesystems von WATTALPS in die Richtbohrmaschine von Vermeer belegt die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit von PBEV-Lösungen in anspruchsvollen Baukontexten. Durch strenge Validierung und innovative Konstruktionsstrategien setzt das Projekt Maßstäbe für die Elektrifizierung im Schwerlastbereich.
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