One of the nowadays main concerns when either developing or optimizing electrohydraulic drives is its energy efficiency. The two mostly used drive concepts in modern electrohydraulic systems are fixed displacement pump and variable speed motor or variable displacement pump and constant speed motor. Since there are two concepts a question arises: “Which concept has higher energy efficiency?”. The energy efficiency of an actual electrohydraulic drive can be easily measured through input electrical power and output hydraulic power. But if we want to assess energy efficiency of an electrohydraulic drive before building it, we can evaluate its energy efficiency using computer simulations.
This article presents an approach to compute energy efficiency using Matlab-Simulink package. In order to accurately evaluate energy efficiency all the components in an electrohydraulic system have been modeled. Those components include frequency inverter, motor and hydraulic pump. Using these models the efficiency of the electrohydraulic drive can be calculated for different operating points or whole operating cycles. The simulation is executed for variable-speed constant-displacement drive and constant-speed variable-displacement drive. Results for both drives are compared to each other. At the end an efficiency measurement is taken on real drives and compared to simulation results.

Off-highway vehicles manufacturers have now to face an increasing demand of high performances while reducing fuel consumption and pollutant emissions. Innovation is the answer, leading to the implementation of new technologies and methodologies for product design. In this context, mechatronic system simulation is certainly a precious ally to support not only component design and optimization, but also subsystem integration and architecture choices.

The aim of the paper is to demonstrate the interest of system simulation at vehicle level to design energy recovery systems and estimate the benefits in term of energy consumption in the context of a full vehicle.

Two lumped-parameters multi-domain models will be presented:
- a forklift powertrain including a classical hydrostatic transmission and an energy recovery system by means of hydraulic accumulators
- an excavator including an energy recovery system on the boom and the swing

The models include the following components:
- A simplified model of the combustion engine and its control, in order to provide the system with the correct level of torque at the pre-defined engine speed
- The hydraulic actuation system including the energy recovery systems
- The mechanical system actuated by the hydraulic system: a longitudinal vehicle model in the case of the forklift, a 3D mechanical model in the case of the excavator
- The control of the actuators to follow a typical working cycle: JVDI-cycle in the case of the forklift and CMAS H020 in the case of the excavator

The following results will be commented:
- Acceleration and velocity of the bodies and vehicle
- Power and energy consumption

In addition, a comparison of the energy consumption between the base line vehicle, without energy recovery system, and the hybrid systems will be presented, in order to see the benefit of the new technology on the global efficiency.

Hydraulische Systeme enthalten häufig ein Teilsystem bestehend aus Pumpe(n), Leitungen und Ventil(en). Beim Auftreten unerwünschter Druckschwingungsphänomene ist es erforderlich alle Komponenten mit in die Problemanalyse einzubeziehen und das Schwingungsverhalten oder die Resonanzbedingungen für unterschiedliche Systembetriebspunkte zu untersuchen. Oft wird hierzu ein Pumpenhochlauf simuliert, bei dem das System durch die druck- und drehzahlabhängige charakteristische Volumenstrompulsation der Pumpe breitbandig angeregt wird.
Während sich Leitungen und Ventile, einschließlich ihrer jeweiligen Nichtlinearitäten, in einer zeitbereichsbasierten Simulation noch recht einfach abbilden lassen, ist die Modellierung einer Pumpe, die für die Analyse des Druckschwingungsverhaltens eines hydraulischen Systems geeignet ist, auch heute noch sehr aufwändig. Zur Abbildung der zu optimierenden, dynamischen Effekte, wie charakteristische druck- und drehzahlabhängige Volumenstrompulsation oder die Pumpenimpedanz, wird ein detailliertes physikalisches Pumpenmodell benötigt. Der Aufbau derartiger Pumpenmodelle setzt allerdings konstruktive Detailkenntnis voraus und ist, nicht zuletzt durch die immer noch notwendigen Validierungsmessungen und -simulation, sehr zeitaufwändig und mit hohen Kosten verbunden.
Für eine simulative Analyse von Druckschwingungsphänomenen sind die aus physikalischen Modellen abgeleiteten mathematischen Pumpenmodelle, selbst wenn sie verfügbar sind, aufgrund der langen Rechenzeiten nur sehr eingeschränkt nutzbar.
In diesem Beitrag wird daher ein alternativer Ansatz vorgestellt, bei dem die im System vorhandene Pumpe unter definierten Randbedingungen vermessen wird und diese Messdaten dann, gemeinsam mit geeignet adaptierten, klassischen physikalischen Modellierungsansätzen, zum Aufbau des Pumpenmodells genutzt werden.
Kern des hybriden Pumpenmodells sind Messungen der Pumpe in zwei unterschiedlichen Prüfstandskonstellationen. In der ersten Prüfstandskonstellation wird die Pumpe unter Variation des statischen Drucks und der Drehzahl gegen einen reflexionsarmen Leitungsabschluss (RaLa) vermessen. Das Ergebnis der Aufbereitung der RaLa-Messdaten sind die betriebspunktabhängigen, charakteristischen Volumenstrompulsationen der Pumpe, die anschließend mittels eines speziellen mehrdimensionalen Linienkennfelds direkt in das Simulationsmodell der Pumpe übernommen werden können. In der zweiten Prüfstandskonstellation wird für unterschiedliche Drehzahlen nach der „2-pressures/2-systems“ (2p2s)--Methode die betriebspunktabhängige Pumpenimpedanz ermittelt. Im Simulationsmodell wird diese messtechnisch identifizierte Impedanz durch ein auf einem Lambda/4-Resonanzrohr basierendes physikalisches Teilmodell abgebildet.
Der Beitrag präsentiert am Beispiel eine PKW-Servolenkungspumpe die methodischen Arbeitsschritte zum Aufbau des hybriden Pumpenmodells. Die Validierung des Modells erfolgt zum einen durch den direkten Vergleich von zeitbasierten Mess- und Simulationsergebnissen für unterschiedliche Betriebspunkte der Pumpe und zum anderen durch die Simulation von 2p2s-Messungen zum Vergleich der simulierten mit der messtechnisch ermittelten Pumpenimpedanz.
Die Simulation des Hochlaufs der Pumpe und die Analyse der hieran gekoppelten Schwingungsanregung des hydraulischen Systems schließen den Beitrag ab. Anhand dieser abschließenden Simulation wird deutlich, dass das hybride Pumpenmodell einen geeigneten Modellierungsansatz darstellt, um das dynamische Verhalten einer real existierenden Pumpe in der zeitbereichsbasierten Simulation abzubilden.
Die diesem Beitrag zugrunde liegenden Arbeiten sind im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten ZIM-Projekts „OptiELF“ in einer Zusammenarbeit zwischen der FH Köln und der FLUIDON GmbH durchgeführt worden.