L’électrification hydraulique améliore l’efficacité énergétique des excavatrices

Danfoss, Staad B.V. et le gouvernement britannique ont mené un projet visant à évaluer comment la technologie hydraulique numérique peut améliorer l’efficacité des grandes excavatrices électriques à batterie. Le projet s’est concentré sur l’intégration d’un système hydraulique à déplacement numérique dans une excavatrice électrique de 30 tonnes destinée aux applications de construction, d’exploitation minière et de carrières, où l’autonomie opérationnelle demeure un défi majeur pour l’électrification.

Partenaires du projet et objectifs techniques
Le projet a bénéficié d’un soutien dans le cadre du programme britannique Red Diesel Replacement Phase 2 Competition, intégré au portefeuille Net Zero Innovation Portfolio d’un milliard de livres sterling géré par le Department for Energy Security & Net Zero. Danfoss a reçu un financement de 4,29 millions de livres sterling, représentant environ 65 % des coûts éligibles du projet, tandis que l’entreprise a financé le reste de l’investissement.

Danfoss a dirigé les activités de développement et d’intégration du système hydraulique. Staad B.V. était responsable de la conversion d’une excavatrice conventionnelle à moteur diesel en machine électrique à batterie. Le projet a utilisé une excavatrice sur chenilles Develon DX300LC-7 comme plateforme de développement.

L’objectif consistait à réduire la consommation d’énergie des équipements lourds de construction grâce à une amélioration du rendement hydraulique, plutôt qu’en augmentant uniquement la capacité des batteries.

Architecture hydraulique numérique et intégration du système
L’excavatrice a été convertie à une propulsion électrique à batterie à l’aide d’un groupe motopropulseur Danfoss Editron comprenant un moteur synchrone à aimants permanents EM-PMI375, un onduleur EC-C1200, un contrôleur MC050 et trois batteries de 140 kWh.

Danfoss a remplacé la pompe hydraulique conventionnelle à plateau oscillant par un système de pompe/moteur à déplacement numérique doté de dix sorties contrôlables indépendamment. Ces sorties alimentent les principales fonctions hydrauliques de la machine, notamment la flèche, le bras, le godet et la rotation.

Un collecteur de vannes numériques réaffecte dynamiquement le débit hydraulique vers les fonctions qui en ont besoin, réduisant ainsi les pertes liées au partage du débit couramment observées dans les systèmes hydrauliques traditionnels. En complément, une vanne hydraulique dédiée de type pont en H a été développée pour le contrôle de la flèche, permettant un dosage indépendant tout en assurant une protection contre la cavitation, une amplification de pression et une récupération d’énergie lors des mouvements de descente.

L’architecture de commande coordonne en temps réel le système hydraulique, le groupe motopropulseur électrique et les sous-systèmes auxiliaires, créant ainsi une plateforme électrohydraulique intégrée pour les équipements de construction.




Essais de validation et résultats de performance
La validation des performances a été réalisée au moyen d’essais de nivellement et d’essais de creusement et déversement dans l’air conformément à la norme JCMAS, équivalente à la norme ISO/AWI TS 11152-2.

Par rapport à l’excavatrice électrique de référence, la machine modifiée a réduit la consommation d’énergie de la batterie de 49,2 % lors des opérations de nivellement et de 31 % lors des opérations de creusement et déversement. Les temps de cycle sont restés pratiquement inchangés.

Sur la base d’un cycle de travail représentatif composé de 30 % d’opérations de nivellement et de 70 % d’opérations de creusement, le système hydraulique numérique a réduit la consommation énergétique globale de la batterie de 35 %. Cette amélioration du rendement a permis d’augmenter l’autonomie opérationnelle de 53 % avec une capacité de batterie identique.

Les résultats indiquent également qu’une autonomie comparable pourrait être obtenue avec deux batteries au lieu de trois, réduisant potentiellement les besoins en batteries tout en maintenant la productivité de la machine.

Applications dans l’électrification des équipements de construction
Le projet démontre comment l’hydraulique numérique peut répondre à l’une des principales limites des équipements lourds électriques à batterie : les pertes d’énergie associées aux architectures hydrauliques conventionnelles.

En récupérant l’énergie issue des mouvements de la machine et en réduisant les pertes par étranglement, le système améliore l’utilisation globale de l’énergie sans augmenter la capacité des batteries. De telles approches sont pertinentes pour les secteurs de la construction, de l’exploitation minière, des carrières et d’autres industries cherchant à réduire leurs émissions tout en maintenant les performances des équipements.

Impact attendu sur l’électrification industrielle
L’architecture validée s’inscrit dans la stratégie progressive de Danfoss en matière d’hydraulique numérique, qui évolue du simple remplacement de pompes vers des systèmes plus avancés de gestion des flux et de récupération d’énergie. Cette approche fournit une voie d’amélioration du rendement des machines sur les plateformes électriques existantes et futures.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice pour Induportals.

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