Cargador eléctrico
categoría:
Vehículo eléctrico de construcción
fecha del proyecto:
Abril, 2024
ubicación:
Europa
Proyecto del motor de una cargadora sobre ruedas eléctrica de 10 toneladas
La electrificación de la maquinaria pesada de construcción se está acelerando, ya que los fabricantes de equipos originales buscan reducir los costes operativos, disminuir las emisiones y mejorar la eficiencia energética en las aplicaciones de maquinaria todoterreno.
Este proyecto consiste en la electrificación de una cargadora sobre ruedas de 10 toneladas mediante la tecnología de motores PMSM de alta tensión de Brogen y componentes integrados del sistema de propulsión de vehículos eléctricos.
En colaboración con los equipos técnicos de sus socios proveedores, Brogen suministró el motor de tracción, el controlador del motor y el sistema de accionamiento electrohidráulico para garantizar el funcionamiento durante toda la jornada en condiciones de trabajo exigentes.
Resumen del proyecto: Transición a los vehículos eléctricos de construcción
Un fabricante de maquinaria de construcción del sudeste asiático se puso en contacto con Brogen para que le prestara apoyo en la electrificación de una cargadora sobre ruedas de 10 toneladas utilizada en canteras, logística portuaria y proyectos de infraestructura urbana.
El objetivo del cliente era sustituir el sistema de propulsión diésel original por un sistema de propulsión totalmente eléctrico capaz de mantener la misma capacidad de la cuchara, la misma fuerza de arranque y la misma eficiencia operativa, al tiempo que se reducía significativamente el consumo de combustible y las emisiones locales.
El fabricante de equipos originales exigía que el sistema de propulsión eléctrico cumpliera los siguientes requisitos:
- Turno completo de 8 a 10 horas
- Alto par máximo durante la carga de la cuchara
- Funcionamiento estable en condiciones de trabajo exigentes
- Compatibilidad con el sistema de transmisión y ejes existente
- Modificación mínima de la estructura original de la máquina
- Funcionamiento fiable en entornos con mucho polvo y con fuertes vibraciones
El equipo de ventas de Brogen colaboró estrechamente con los equipos técnicos de nuestros socios proveedores de sistemas de propulsión para analizar el ciclo de trabajo de la máquina y las características de la carga hidráulica. A partir de los datos de funcionamiento recopilados de las cargadoras sobre ruedas diésel que ya operaban sobre el terreno, se optó por una arquitectura eléctrica de doble motor para optimizar la eficiencia y mantener la productividad.
La solución final combinó:
- Un motor de tracción PMSM de alta tensión
- Un motor específico para una bomba hidráulica eléctrica
- Un controlador de motor integrado (MCU)
- Una plataforma de baterías de 540 V CC
- Comunicación CAN J1939 entre vehículos
A medida que la demanda de maquinaria de construcción eléctrica sigue creciendo en todo el mundo, la alta eficiencia Sistemas de motores eléctricos PMSM Se prevé que se conviertan en una de las tecnologías clave que permitan el desarrollo de maquinaria todoterreno con cero emisiones. Los fabricantes de equipos originales están adoptando cada vez más sistemas integrados Soluciones para sistemas de propulsión de vehículos eléctricos para reducir la complejidad del sistema de transmisión y, al mismo tiempo, mejorar la eficiencia general del sistema y la fiabilidad operativa.
Principales retos de la electrificación de las cargadoras sobre ruedas
La electrificación de una cargadora sobre ruedas de gran tonelaje plantea requisitos de ingeniería muy diferentes a los de los vehículos comerciales de carretera. Las cargadoras sobre ruedas funcionan sometidas a repetidas demandas de par máximo, condiciones ambientales adversas y ciclos continuos de carga hidráulica.
Requisito de par máximo
Las palas cargadoras necesitan un par de giro extremadamente elevado durante la excavación con la cuchara y al arrancar cuesta arriba con carga. A diferencia de los vehículos de carretera, cuyas cargas de trabajo son relativamente estables, las palas cargadoras alternan constantemente entre trabajos pesados de excavación y desplazamientos de corta distancia.
Para cumplir estas condiciones de funcionamiento, el motor de tracción PMSM de Brogen seleccionado admite:
- 150 kW de potencia máxima
- Par máximo de 1.600 N·m
- Capacidad de sobrecarga de 30 segundos
- Alta eficiencia en todos los rangos de funcionamiento a carga parcial
Esta configuración permite que la cargadora sobre ruedas eléctrica alcance un rendimiento comparable al de las máquinas diésel durante las operaciones de excavación y manipulación de materiales.
La arquitectura de doble motor utilizada en este proyecto sigue los mismos principios de electrificación que ya se aplicaron en el modelo de Brogen soluciones para vehículos todoterreno, donde los sistemas de propulsión eléctrica están optimizados para maquinaria de construcción, maquinaria minera y vehículos industriales que operan en condiciones de trabajo exigentes.
Resistencia durante todo el turno
Un turno de trabajo habitual con una cargadora sobre ruedas estándar suele incluir entre 300 y 400 ciclos de carga. Para poder completar un turno completo sin necesidad de recargar a mitad del mismo, fue necesario optimizar minuciosamente tanto la eficiencia del motor como el consumo de energía hidráulica.
En lugar de sobredimensionar el motor de tracción únicamente para obtener la máxima potencia de salida, el sistema de propulsión se ha optimizado para lograr la máxima eficiencia en el ciclo de trabajo real. La plataforma PMSM seleccionada mantiene una eficiencia máxima superior al 97%, lo que contribuye a maximizar las horas de funcionamiento del sistema de baterías LFP del cliente.
Consumo energético del sistema hidráulico
Las cargadoras sobre ruedas diésel convencionales accionan continuamente la bomba hidráulica directamente desde el motor, incluso cuando no se requiere ningún movimiento hidráulico. Esto genera importantes pérdidas de energía en ralentí.
Para mejorar la eficiencia, la cargadora sobre ruedas eléctrica incorpora una arquitectura hidráulica eléctrica independiente que utiliza un motor-bomba hidráulico PMSM específico. El caudal hidráulico se genera únicamente cuando es necesario para la elevación, la dirección o el movimiento de la cuchara.
Este diseño reduce considerablemente el consumo innecesario de energía durante el funcionamiento en reposo y en condiciones de carga parcial.
Entorno operativo adverso
La maquinaria de construcción funciona de forma continua en entornos en los que:
- Exposición al polvo
- Entrada de agua
- Fuertes vibraciones
- Barro y escombros
- Amplia variación de la temperatura ambiente
- Ciclos continuos de carga pesada
Los sistemas de motor y controlador Brogen seleccionados para este proyecto están diseñados para aplicaciones comerciales pesadas y todoterreno, y presentan las siguientes características:
- Índice de protección IP67
- Carcasa integrada refrigerada por agua
- Aislamiento de clase H según la norma IEC 60034
- Resistencia a las vibraciones según la norma ISO 16750-3
- Rango de temperatura de funcionamiento: de −25 °C a +55 °C
Para mejorar la estabilidad térmica general, el motor de tracción incorpora tecnologías avanzadas de refrigeración y optimización de la eficiencia similares a las que se analizan en el artículo de Brogen sobre tecnologías de control de pérdidas del motor de accionamiento. Una gestión térmica eficaz es fundamental para mantener un rendimiento continuo durante los exigentes ciclos de trabajo todoterreno.
Productos de Brogen suministrados para el proyecto
Motor de tracción PMSM de 150 kW
La unidad de tracción principal es un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) refrigerado por agua, perteneciente a la gama de motores para vehículos comerciales de Brogen. El motor sustituye directamente al motor diésel original, conservando al mismo tiempo la transmisión y el sistema de ejes existentes del fabricante de equipo original (OEM).
La plataforma PMSM funciona con una arquitectura de 540 V CC, muy utilizada en vehículos comerciales eléctricos de gran tonelaje y en maquinaria todoterreno. Esta plataforma de tensión permite la compatibilidad con sistemas de baterías LFP de gran capacidad, al tiempo que mantiene niveles de corriente manejables en condiciones de carga máxima.
La carcasa compacta e integrada del motor simplificó su instalación en el compartimento del motor original y redujo la necesidad de realizar modificaciones importantes en el chasis.
Especificaciones del motor de tracción PMSM
| Parámetro | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Tipo de motor | PMSM (motor de polos en masa) | Refrigeración por agua |
| Potencia nominal | 90 kW | Salida continua |
| Potencia máxima | 150 kW | Sobrecarga de 30 segundos |
| Par nominal | 800 N·m | Continuo |
| Par máximo | 1 600 N·m | Sobrecarga de 30 segundos |
| Velocidad base | 4.500 rpm | Velocidad nominal de funcionamiento |
| Velocidad máxima | 6.000 rpm | Región de debilitamiento del campo |
| Tensión nominal | 540 V CC | Compatible con 450–720 V |
| Máxima eficiencia | >97% | Eficiencia optimizada a carga parcial |
| Método de refrigeración | Agua/glicol | Refrigeración de circuito cerrado |
| Grado de protección | IP67 | IEC 60529 |
| Clase de aislamiento | H (180 °C) | IEC 60034 |
| Comunicación | CAN 2.0B / J1939 | Integración en el vehículo |
| Temperatura de funcionamiento | De −25 °C a +55 °C | Entorno de uso intensivo |
Nota: Las especificaciones definitivas varían en función de la aplicación y de los requisitos del ciclo de trabajo.
Productos de Brogen suministrados para el proyecto
Controlador de motor integrado (MCU)
El proyecto utiliza un controlador de motor de alta tensión autónomo integrado en la arquitectura de control del vehículo de la cargadora sobre ruedas mediante comunicación CAN J1939.
La MCU gestiona:
- Control del par del motor de tracción
- Funcionamiento del motor de la bomba hidráulica
- Frenado regenerativo
- Protección térmica
- Diagnóstico del sistema
- Comunicación con la unidad de control del vehículo (VCU)
Se adoptaron algoritmos de control orientado al campo (FOC) para mejorar la controlabilidad a baja velocidad y la precisión de la respuesta de par, aspectos ambos fundamentales para las aplicaciones en maquinaria pesada de construcción.
La arquitectura de propulsión eléctrica también se beneficia de las tecnologías de controladores integrados que se utilizan habitualmente en los modernos sistemas de propulsión eléctrica «todo en uno», donde la integración en un sistema compacto mejora la eficiencia del embalaje y simplifica la instalación por parte del fabricante de equipos originales (OEM).
Motor de bomba hidráulica de 45 kW
El sistema hidráulico está accionado por un motor PMSM específico de 45 kW que funciona con la misma plataforma de 540 V CC.
A diferencia de las bombas hidráulicas convencionales accionadas por motor, la arquitectura hidráulica eléctrica permite generar caudal hidráulico únicamente cuando lo requieren las funciones de elevación, dirección o las funciones auxiliares. Esto mejora la eficiencia general y reduce el consumo de energía en ralentí.
El motor hidráulico específico acciona:
- Elevación con cubeta
- Movimiento del brazo de la pala cargadora
- Sistema hidráulico de la dirección
- Funciones hidráulicas auxiliares
Al separar la tracción del suministro de potencia hidráulica, también se elimina la competencia por la potencia entre el desplazamiento de la máquina y las operaciones de trabajo.
La experiencia de Brogen en la electrificación de vehículos comerciales permite a la empresa ofrecer apoyo a los fabricantes de equipos originales (OEM) con soluciones escalables sistemas de propulsión eléctricos para vehículos comerciales y aplicaciones en maquinaria todoterreno que utilizan tecnologías de transmisión de alta tensión de probada eficacia.
Productos de Brogen suministrados para el proyecto
Arquitectura de doble motor
La cargadora sobre ruedas cuenta con una configuración de doble motor compuesta por:
- Un motor PMSM de tracción conectado a la transmisión original
- Un motor de bomba hidráulica específico
Ambos sistemas funcionan a partir de un bus común de 540 V CC alimentado por el sistema de baterías.
En comparación con las arquitecturas de un solo motor, esta configuración ofrece varias ventajas:
- Control independiente de la tracción y el sistema hidráulico
- Mayor eficiencia energética
- Respuesta hidráulica más estable
- Reducción de la fluctuación de la corriente máxima
- Mayor control por parte del operador durante las operaciones simultáneas de desplazamiento y elevación
Esta arquitectura se considera, en general, uno de los enfoques de electrificación más prácticos para la maquinaria todoterreno de tamaño mediano y grande.
Frenado regenerativo
El frenado regenerativo está activo durante:
- Desaceleración del vehículo
- Desplazamiento cuesta abajo
- Marcha por inercia con carga ligera
La energía de frenado recuperada se devuelve al sistema de baterías, lo que contribuye a prolongar las horas de funcionamiento y a reducir el consumo total de energía.
Durante las pruebas de campo iniciales realizadas en unas instalaciones logísticas portuarias, la recuperación de energía regenerativa aportó aproximadamente entre 12 y 151 TP3T de la energía total descargada en condiciones de funcionamiento habituales.
Integración de vehículos CAN J1939
El sistema de propulsión Brogen se comunica con la unidad de control del vehículo del fabricante original mediante protocolos CAN J1939 estándar, ampliamente utilizados en aplicaciones de vehículos comerciales y maquinaria de construcción.
La estructura de comunicación abierta simplificó la integración y permitió al equipo de software del fabricante de equipos originales acceder a:
- Velocidad del motor
- Demanda de par
- Datos de temperatura
- Diagnóstico de averías
- Información sobre el estado de carga de la batería
- Estado de la limitación de potencia
Este enfoque redujo la complejidad de la integración, al tiempo que mantuvo la compatibilidad con la estrategia de control de máquinas ya existente del cliente.
Resultados de la validación sobre el terreno
Tras la integración del sistema de propulsión, se pusieron en marcha máquinas prototipo para su validación en unas instalaciones logísticas portuarias regionales, en las que se llevaban a cabo operaciones continuas de carga y transporte.
Resumen de la validación sobre el terreno
| Elemento de validación | Resultado |
|---|---|
| Resistencia durante todo el turno | He completado un turno de 8 horas y aún me queda más de 101 TP3T de batería. |
| Funcionamiento del ciclo de la cuchara | Aproximadamente 350 ciclos de carga |
| Capacidad de subida | Inclinación 20% con carga útil nominal |
| Reducción de los costes energéticos | Aproximadamente entre 65 y 701 TP3T menos que el gasóleo |
| Fiabilidad del sistema de transmisión | No se han producido incidencias de mantenimiento del sistema de transmisión durante la validación inicial |
| Comentarios de los operadores | Reducción del ruido en el habitáculo y mejora de la respuesta del par a bajas velocidades |
Eficiencia operativa
En comparación con la plataforma diésel original, la cargadora sobre ruedas eléctrica presentó unos costes de explotación considerablemente más bajos debido a:
- Reducción del coste energético por hora de funcionamiento
- Eliminación del consumo de combustible al ralentí del motor
- Menor mantenimiento del sistema de transmisión
- Menos componentes del sistema de propulsión sujetos a desgaste
Los operadores de flotas también señalaron una mayor facilidad de control durante las maniobras a baja velocidad y las operaciones de carga.
Reducción del ruido y de las emisiones
Una de las principales ventajas observadas durante la puesta en marcha fue la considerable reducción del ruido de funcionamiento en comparación con la maquinaria convencional propulsada por diésel.
Esto hace que las palas cargadoras eléctricas sean especialmente adecuadas para:
- Proyectos de construcción urbana
- Instalaciones logísticas cubiertas
- Funcionamiento nocturno
- Zonas sensibles desde el punto de vista medioambiental
- Aplicaciones portuarias y de almacén
La ausencia total de emisiones de escape locales también mejora las condiciones de trabajo de los operarios y del personal que se encuentra en las inmediaciones.
El proyecto también demuestra lo avanzado que es tecnologías de motores de flujo axial y los sistemas PMSM de alta densidad de potencia están marcando el rumbo de la próxima generación de maquinaria de construcción eléctrica, con una mayor eficiencia, un peso más ligero y una mayor densidad de par.
Conclusión: el futuro de los vehículos eléctricos de construcción
Este proyecto demuestra la electrificación satisfactoria de una cargadora sobre ruedas de 10 toneladas mediante el motor PMSM de alta tensión de Brogen y las tecnologías de tren de potencia para vehículos eléctricos, destinadas a aplicaciones todoterreno exigentes.
La arquitectura de doble motor permitía un funcionamiento durante toda la jornada, un elevado par de arranque y un rendimiento fiable, al tiempo que reducía los costes operativos, las emisiones y las necesidades de mantenimiento en comparación con las máquinas diésel convencionales.
Con soluciones escalables de propulsión eléctrica para maquinaria de construcción e industrial, Brogen sigue apoyando a los fabricantes de equipos originales (OEM) en el desarrollo de la próxima generación de vehículos todoterreno eficientes y con cero emisiones.
Descargo de responsabilidad: Los detalles del proyecto que se muestran son ejemplos representativos. Las especificaciones y el rendimiento pueden variar en función de los requisitos del cliente y las condiciones de funcionamiento. Parte de la información puede ajustarse para proteger datos confidenciales del proyecto.
Preguntas frecuentes
¿Qué tipo de motor se utiliza en este proyecto de cargadora sobre ruedas eléctrica?
El proyecto utiliza un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) de alta tensión, perteneciente a la gama de motores para vehículos eléctricos comerciales de Brogen, tanto para la tracción como para el suministro de potencia hidráulica.
¿Puede la cargadora sobre ruedas eléctrica completar un turno de trabajo completo con una sola carga?
Sí, la cargadora se diseñó para funcionar durante un turno completo de entre 8 y 10 horas, aproximadamente, en condiciones típicas de trabajo en canteras y en operaciones logísticas portuarias.
¿Por qué utiliza el proyecto una arquitectura de doble motor?
La configuración de doble motor separa las funciones de tracción y las hidráulicas, lo que mejora la eficiencia energética, la respuesta hidráulica y el rendimiento general de la máquina durante las operaciones simultáneas de conducción y carga.
¿Es el sistema de propulsión eléctrico adecuado para entornos de construcción exigentes?
Sí, los sistemas de motor y controlador están diseñados para aplicaciones todoterreno de uso intensivo, con protección IP67, refrigeración por agua y alta resistencia a las vibraciones.
¿Se puede adaptar esta solución de electrificación a otros equipos de construcción?
Sí, la misma arquitectura del sistema de propulsión eléctrico también se puede aplicar a excavadoras, manipuladores telescópicos, carretillas elevadoras, maquinaria minera y otros vehículos industriales todoterreno.
English 
Español 
Português do Brasil 
Türkçe