En introduktion till eldrift i arbetsmaskiner och fordon

Induktionsmotor vs PMAC-motor

De två vanligaste motortyperna är induktionsmotorn (asynkronmotor) och PMAC-motorn (synkronmotor). Den huvudsakliga skillnaden i funktion ligger i hur magnetfälten i motorn genereras vilket också ger motorn många av dess egenskaper.

PMAC-motorn är den som ger bäst verkningsgrad och är det vanligaste valet i till exempel elbilar där låg energiförbrukning är mycket viktigt. Induktionsmotorn är enklare att tillverka och innehåller inga fördyrande permanentmagneter vilket gör att den under många år varit det absolut vanligaste valet i gaffeltruckar och andra liknande maskiner. Verkningsgraden hos en motor påverkar inte bara hur länge batteriet räcker utan förlusterna är även det som gör att motorn blir varm. En billigare motor kan resultera i att det behövs dyrare lösningar för kylning.

Asynkronmotorn har även en lägre så kallad effektfaktor. Förenklat innebär det att med en asynkronmotor kommer ytterligare ström att cirkulera genom systemet. Denna ström används inte, men komponenterna måste klara av att transportera den.

Komponentprestanda

Eftersom arbetsmaskiner sällan används kontinuerligt med jämn belastning, anges prestanda ofta som ”korttidsdrift – S2” eller ”intermittent drift – S3” enligt standarden IEC 60034-1.

Korttidsdrift S2 anges alltid tillsammans med en tidsangivelse, vanligtvis anges S2-2min eller S2-60min, till exempel 5 kW (S2-60min) och 15 kW (S2-2min). Det betyder att den angivna effekten tas ut i 2 respektive 60 minuter utan att motorn överhettar, förutsatt att systemet startar vid en tillåten omgivningstemperatur. Den tillåtna omgivningstemperaturen är enligt IEC-standarden angiven till 40° C, men för motorer avsedda för användning i arbetsmaskiner kan motortillverkaren vilja dimensionera för en högre omgivningstemperatur. Motortillverkaren definierar också vilka andra förutsättningar som ska gälla i form av flöde av luft eller kylvätska.

S2-cykeln kan vara relevant för till exempel en framdrift. S2-60min kan då jämföras mot den medeleffekt som går åt vid lite längre förflyttningar medan S2-2min motsvarar det värsta fallet då maskinen behöver ta sig förbi ett tillfälligt hinder eller köra upp för sin maximala lutning.

Intermittent drift S3 anges i stället tillsammans med ett procenttal, till exempel kan en motor vara märkt 10 kW (S3-30%). Då testas motorerna mot en körcykel där man har en konstant effekt, i det här fallet 10 kW, och sedan låter motorn vila motsvarande 70% av cykeln. Om inte annat anges så förutsätts att hela cykeln är 10 minuter lång, alltså last på i 3 min och av i 7 minuter i vårt exempel. S3 drift kan vara användbart att jämföra mot till exempel en lyftfunktion, där maskinen förflyttas och med jämna mellanrum gör tunga lyft.

Val av rotorpositionsgivare: SinCos, Halleffekt eller Resolver

Vanliga lösningar för att mäta rotorpositionen är analoga absolut-positionsgivare (SinCos-givare) eller digitala Halleffektgivare. Halleffektgivarna är en enklare lösning men som gengäld ger en mer lågupplöst signal och inte lika exakt reglering. På större motorer är det vanligt förekommande med den sensortyp som kallas resolver. Resolvern ger bättre prestanda och är mer motståndskraftig mot störningar men är betydligt dyrare och kräver mer avancerad drivelektronik i motorstyrningen, vilket är anledningen till att den är ett ovanligt val i mindre system.

Konsekvenserna kan bli stora om sensorsignalen från motorn inte ger rätt värde; i värsta fall riskerar man en skenande motor. Det är därför viktigt att välja kompatibla motorstyrningar och sensorer. Det är också mycket viktigt att motorstyrningen konfigureras rätt för att övervakningen av sensorns signaler ska fungera och detektera eventuella feltillstånd.

Motorstyrning

För att kunna driva en AC-motor från ett batteri som levererar DC-spänning behövs en motorstyrning. Motorstyrningarna kallas även ofta för inverters eller controllers. Varje motorstyrning kan kontrollera en motor, finns det två motorer behövs alltså två motorstyrningar eller en så kallad dual-/dubbel-variant, där två motorstyrningar kombineras i en enhet.

Även om det numer finns stora batteridrivna grävmaskiner och lastmaskiner som väger många tiotals ton så är de allra flesta elektriska arbetsmaskinerna fortfarande betydligt mindre och drivs med relativt låga spänningar.

Som tumregler kan antas att 24V passar bra för en medeleffekt upp till ungefär 5 kW, 48V upp till 15–20 kW och 80–100V behövs om man ska upp till 30–35 kW. Toppeffekten som kan tas ut ur systemen är då två till tre gånger högre än medeleffekten. Spänningsnivåerna är inte absoluta och olika batterityper kan leda till att olika nivåer väljs. Ett vanligt “48V-system” kan till exempel ha en nominell spänning runt 52 Volt och en maxspänning över 56 Volt. Det är därför viktigt att vara noggrann med sina komponentval och se till att motorerna väljs så att de levererar den förväntade prestandan under alla förutsättningar.

Över de här effektnivåerna behöver man överväga högre systemspänningar och då är de flesta komponenterna avsedda för mellan 400V och 800V.

Reglering och kommunikation

En mobil motorstyrning, som ACS-serien från Inmotion, reglerar spänning och elektrisk frekvens till motorn. Det är dock oftast ingenting som maskinutvecklare behöver ägna mycket uppmärksamhet åt. Det man oftare är intresserad av när ett system byggs upp är reglering av motorns varvtal, vridmoment eller position. I många fall kombineras flera olika typer av reglering för att åstadkomma det beteende som önskas.

Ett vanligt sätt att styra en motor är att låta motorstyrningen lyssna på ett hastighetskommando som skickas till den via CAN. Ofta kombineras börvärdet med ett värde för den så kallade rampningen, det vill säga hur fort hastighetsändringen ska ske. Motorstyrningen ser sedan till att rätt mängd vridmoment genereras för att nå och hålla den önskade hastigheten. Kommunikationen på CAN-bussen kan ske med olika ”dialekter”, vanligast är CANopen och j1939. Eftersom det finns stora friheter inom de olika dialekterna så behöver motorstyrningens mjukvara oftast anpassas något för att integreringen ska gå så smidigt som möjligt.

Ett annat vanligt sätt i enklare system är att hastighetskommandot i stället kommer från en pedal, ett vred eller en joystick beroende på applikationen. Signalerna kan då kopplas direkt till motorstyrningens ingångar.

Anpassning för specifika applikationer

De vanligaste funktionerna för elmotorer i arbetsmaskiner är att driva maskinen framåt (framdrift) och att styra hydrauliska pumpar (pumpstyrning). För framdrift ligger mycket av anpassningarna i hur maskinen ska reagera i olika situationer. Exempel på frågeställningar då är till exempel hur snabbt maskinen ska accelerera, om den ska tillåtas att accelerera snabbare i en nedförsbacke eller om det medför några risker? Vad som ska hända efter att maskinen bromsat till stillastående i en backe: ska motorn fortsätta att försöka hålla maskinen stillastående med risk för batteriet till slut laddas ur? Andra faktorer att ta hänsyn till är hur stark maskinen ska tillåtas vara vid olika varvtal. En anpassad vridmomentskurva påverkar hur maskinen upplevs att köra och kan också spara energi genom att undvika ofördelaktiga driftspunkter.

En pumpapplikation har andra utmaningar. Många gånger räcker det att se till att motorn håller ett önskat varvtal, men motorstyrningen har också möjlighet till mer avancerad styrning med utgångar för att styra hydraulventiler. Motorregleringen kan baseras på signaler från till exempel tryckgivare, positionsgivare i en cylinder eller vinkelgivare i en midjestyrning för att skapa mer avancerad fristående distribuerad hydraulik.

Mycket funktionalitet finns lyckligtvis förberedd i motorstyrningarna men behöver oftast konfigureras eller anpassas utifrån förutsättningarna i den aktuella applikationen.

Batterier

Batterier är den dyraste komponenten i en elektrisk maskin och kan även vara den som är svårast att ge generella råd kring. Blybatterier är idag en ganska ovanlig syn i arbetsmaskiner, de blir helt enkelt för stora och tunga i de flesta fallen. Valet står oftast i stället mellan olika litiumbatterityper.

Den globala efterfrågan på batterier drivs på av bilbranschen och enligt internationella energirådet, IEA, var år 2022 litium-nickel-mangan-koboltoxid (NMC) den vanligaste litiumbatteritypen med en marknadsandel på 60%. Därefter kom litiumjärnfosfat (LFP) med nästan 30% av marknaden, och nickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA) med ungefär 8%.

NMC och LFP som är vanligast i bilar är också de som är vanligast i arbetsmaskiner. LFP är kemiskt stabilare och därmed också säkrare men har i gengäld lägre energiinnehåll per kilo. LFP klarar fler urladdningscykler med bibehållen prestanda men de tusentals cykler ett NMC-batteri klarar är ofta mer än tillräckligt i jämförelse med maskinens livslängd. I många fall kan NMC, eller NCA vara enda alternativet för att kunna få plats med den energimängd som maskinen behöver för att klara sin uppgift. LFP är idag generellt sett något billigare än NMC, även om priserna jämnats ut något på senare år då priserna på de ingående råmaterialen haft olika utveckling.

Litiumbatterier tillverkas som små celler och det kan behövas tusentals celler för att få ihop ett tillräckligt stort batteri för att driva en hel maskin. Att försöka standardisera bygget av större batterier är svårt och därför bygger batteritillverkarna det som kallas batterimoduler. I en batterimodul har ett antal celler byggs ihop till en enhet som blir lättare kan kopplas ihop med andra moduler för att bilda ett lämpligt batteri, eller batteripack som det också kallas. Modulerna har oftast en hel del inbyggd funktionalitet, bland annat för övervakning, som gör att man får ett ytterligare lager av säkerhet med det här byggsättet.

Den här genomgången ger en inblick i komponenterna i ett elektriskt drivsystem och faktorer att överväga vid val av komponenter.

Kontakta gärna oss för experthjälp. Vi har lång erfarenhet av elektriska drivsystem och hjälper dig att hitta rätt system för din applikation.

Utforska vidare 

För mer information om systemet, läs vidare: Regamotion elektriska drivsystem

Läs om ett exempel på vilka val som du kan göra när det gäller elektrifiering i kundcaset Eldriven skogsmaskin.

Följ oss på Linkedin för att bli uppdaterad om våra senaste nyheter!