Französischer Baumaschinenhersteller entwickelt mit Simcenter Amesim den ersten Elektro-Mobilbagger

Innovation wird konkret

Der Pariser Stadtrat verabschiedete 2018 den territorialen Klima-Luft-Energie-Plan, um die Luftverschmutzung zu reduzieren, die Gesundheit seiner Bürger zu schützen und den Klimawandel zu bekämpfen. Mit diesem Plan hofft Paris, bis zum Jahr 2050 eine CO2-neutrale Stadt zu sein, und erwartet, bis 2024 ohne Diesel und bis 2030 ohne Benzinmotoren auszukommen.

Die Mecalac-Gruppe (Mecalac) ist sich dieser Ambitionen bewusst und hat Maschinen entwickelt und gebaut, die den Wünschen der Stadt nach sauberer Luft gerecht werden. Der Mecalac e12, ein innovativer, vollelektrischer Mobilbagger, ist das Glanzstück des Unternehmens bei dieser Initiative. Der auf der Messe INTERMAT 2018 vorgestellte Mecalac e12 wurde mit dem Energy Transition Award der Veranstaltung ausgezeichnet, der technologische und ökologische Leistungen würdigt.

„Mit der Einführung des ersten zu 100 Prozent elektrisch betriebenen Baggers haben wir einen entscheidenden Meilenstein erreicht, der dazu beitragen wird, das Ziel ,Null Diesel‘ bis 2024 zu erreichen“, sagt Max Boni, Direktor für Forschung und Entwicklung bei Mecalac. „Mit null Emissionen von Kohlendioxid und anderen schädlichen Schadstoffen läutet dieser neue Bagger eine neue Ära in der Geschichte von Mecalac ein. Dies passt perfekt zu unserer Innovationsstrategie für urbane Baustellen, die immer kompakter, leistungsfähiger und umweltfreundlicher werden.“

Drei große Konstruktionsherausforderungen – eine bahnbrechende Innovation

Für die Entwicklung seines Elektrobaggers definierte Mecalac eine optimale Architektur, die drei grundlegende Anforderungen erfüllt: Reichweite, Leistung und Kompaktheit. Um dies zu erreichen, war die genaue Dimensionierung der Batterie eine zentrale Herausforderung. Es ging darum, eine schwierige Gleichung mit einer Reihe von Parametern zu lösen, was sich allerdings als machbar herausstellte.

„Für uns ging es darum, einen ersten funktionierenden Prototypen zu entwickeln und gleichzeitig die zukünftige Serienproduktion zu berücksichtigen“, erläutert Thomas Schaep, Mechatroniker bei Mecalac. „Wir waren nicht auf der Suche nach einer spezifischen, maßgeschneiderten Batterielösung. Stattdessen haben wir versucht, handelsübliche Batteriemodule zu kombinieren und gleichzeitig die Gesamtreichweite, die Kosten und den Platzbedarf der Maschine zu optimieren.“

Entscheidung für Simcenter Amesim

Für die Forschungsarbeiten zu seinem neuen Elektrobaggermodell suchte das Forschungs- und Entwicklungsteam (F&E) von Mecalac nach einer Modellierungs- und Simulationslösung, die in der Lage ist, die Systemleistung auf mechanischer, hydraulischer, thermischer und elektrischer Ebene zu analysieren und vorherzusagen.

Das Unternehmen entschied sich für die Simcenter Amesim-Software™ von Siemens Digital Industries Software aufgrund ihrer Anwenderfreundlichkeit, ihrer Offenheit und ihres umfangreichen Angebots an gebrauchsfertigen Multiphysik-Bibliotheken. Schaep kannte die Lösung und war bereit, sie zu nutzen. Die Modellierungsphase wurde in einem dreistufigen Prozess abgeschlossen und dauerte etwa drei Monate.

Der erste Schritt war die mechanische Modellierung, bei der die Abmessungen der 2D-Pläne in die Tabellenkalkulationssoftware Microsoft Excel eingespeist wurden. Die synchrone, bidirektionale Verbindung zwischen Simcenter Amesim und Excel verwendete die darin eingegebenen Werte als Simulationsparameter für Simcenter Amesim. Änderungen von Parameter in Simcenter Amesim werden automatisch in Excel aktualisiert, sodass sich beide Datenquellen gleichzeitig aktualisieren lassen. Diese Methode ermöglicht es einer größeren Anzahl von Anwendern, die Informationen in Excel zu verwenden, ohne mit Simcenter Amesim vertraut zu sein. Darüber hinaus ermöglicht die CAD-Importfunktion (Computer Aided Design) in Simcenter Amesim die automatische Generierung des kinematischen/mechanischen Modells des Baggers mit nur wenigen Klicks aus einer beliebigen CAD-Datei.

Die hydraulische Modellierung war der nächste Schritt in diesem Prozess. Die hydraulische Verteilung wird mit Superkomponenten modelliert und kontinuierlich wiederholt. In Anbetracht der hohen Kosten für die Hydraulik von Baumaschinen erforderte dieser Schritt eine sehr granulare, detaillierte Modellierung. Um die optimale Repräsentativität des Modells zu gewährleisten, wurden die durch die Simulation gewonnenen Ergebnisse mit realen, physikalischen Messungen verglichen. Es wurde eine bestätigte Korrelation beobachtet.

Der letzte Schritt war die elektrische Modellierung, bei der ein detailliertes Modell des Permanentmagnet-Synchronmotors (PMSM) mit seiner Steuerung, einem Wechselrichter und der Batterie verknüpft ist.

Auf Anhieb richtige Erstellung eines Prototypen des e12

Mithilfe des Simcenter Amesim-Modells simulierte Mecalac verschiedene Architekturoptionen und analysierte mehrere Parameter, um das elektrische Energiesystem zu dimensionieren und auf Anhieb den richtigen Prototyp zu erstellen. Dies bedeutete einen erheblichen Kosten- und Zeitgewinn. Tatsächlich ist Mecalac davon überzeugt, dass sie ohne Simcenter Amesim zwei oder drei Prototypen benötigt hätten, um eine optimierte Architektur in Bezug auf Reichweite, Leistung und Überlastung zu entwickeln.

„Die Mecalac e12-Batterie bietet eine Rekordkapazität von 146 Kilowattstunden bei einer unerreichten Reichweitendauer von 8 Stunden und besitzt eine dreimal höhere Batterielebensdauer als herkömmliche Batterien“, sagt Boni. „Diese Leistungen wurden von Fachleuten auf der Messe INTERMAT 2018 weithin gelobt.“

Ein Kreativitätsschub

Simcenter Amesim beeindruckte die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Mecalac sofort durch seine Anwenderfreundlichkeit und schnelle Implementierung dank seiner bewährten Bibliotheken, seiner einfachen Einführung und seiner Robustheit.

„Wir haben jetzt ein besseres Verständnis bestimmter Phänomene, wie z. B. Energieverluste, die wir früher nicht quantifizieren konnten; jetzt können wir sie genau benennen“, erläutert Schaep. „Wir können schnell mehrere Simulationen mit einem hohen Maß an Vertrauen in die Vorhersagbarkeit der Modelle durchführen. Dadurch gewinnen wir Zeit, um kreativere Lösungen zu prüfen und Möglichkeiten zu erkunden, für die wir sonst keine Zeit gehabt hätten. Kurz gesagt, Simcenter Amesim fördert unsere Kreativität.“

Offene Türen für neue Konzepte

Mecalac verwendet bereits eine weiterentwickelte Version des Simcenter Amesim-Modells, um die Serienproduktion des e12 voranzutreiben. Tatsächlich plant die Engineering-Abteilung, das Simcenter Amesim-Modell mit Steuerungsgesetzmodellen zu kombinieren, um ein ordnungsgemäßes Verhalten zu gewährleisten. Der nächste Schritt für dieses Simcenter-Amesim-Modell wird die Validierung der zyklischen und kalendarischen Alterung der Batterie sein. Schließlich wird der Einsatz einer Optimierungslösung wie der HEEDS-Software™ von Siemens Digital Industries Software dazu beitragen, den Design-Explorationsprozess zu automatisieren und zu beschleunigen.

„Simcenter Amesim ermöglicht es uns, auf proaktive Weise neue innovative Konstruktionen zu erkunden“, sagt Boni. „Diese erste Studie mit dem e12 ist wie ein Vorschlagskasten, um neue Ideen für zukünftige Entwicklungen anzustoßen. Die Marketing- und Einkaufsteams profitieren von den Vorschlägen, die wir einbringen können.“

Dieser Ansatz steht im Einklang mit der Entstehungsgeschichte der Mecalac-Gruppe, die sich seit 40 Jahren an die Bedürfnisse der städtischen Baustellen der Zukunft anpasst und innovative Lösungen anbietet.