Carregador elétrico
categoria:
Veículo elétrico para construção
data do projeto:
Abril de 2024
Localização:
Europa
Projeto do motor de uma carregadeira de rodas elétrica de 10 toneladas
A eletrificação de equipamentos pesados de construção está se acelerando, à medida que os fabricantes buscam custos operacionais mais baixos, redução das emissões e maior eficiência energética para aplicações em máquinas fora de estrada.
Este projeto envolve a eletrificação de uma carregadeira de rodas de 10 toneladas, utilizando a tecnologia de motores PMSM de alta tensão da Brogen e componentes integrados do trem de força para veículos elétricos.
Em colaboração com as equipes técnicas dos parceiros fornecedores, a Brogen forneceu o motor de tração, o controlador do motor e o sistema de acionamento eletro-hidráulico para garantir a operação durante todo o turno em condições de trabalho exigentes.
Visão geral do projeto: Transição para veículos elétricos de construção
Um fabricante de equipamentos de construção do Sudeste Asiático procurou a Brogen para obter apoio na eletrificação de uma carregadeira de rodas da classe de 10 toneladas, utilizada em pedreiras, logística portuária e projetos de infraestrutura urbana.
O cliente pretendia substituir o trem de força a diesel original por um sistema de propulsão totalmente elétrico, capaz de manter a mesma capacidade da caçamba, a mesma força de arranque e a mesma eficiência operacional, ao mesmo tempo em que reduzisse significativamente o consumo de combustível e as emissões locais.
O fabricante de equipamentos originais (OEM) exigiu que o trem de força elétrico atingisse:
- Jornada de trabalho completa de 8 a 10 horas
- Alto torque de pico durante o carregamento da caçamba
- Operação estável em condições de trabalho exigentes
- Compatibilidade com o sistema de transmissão e eixo existente
- Modificação mínima na estrutura original da máquina
- Operação confiável em ambientes empoeirados e com alta vibração
A equipe de vendas da Brogen trabalhou em estreita colaboração com as equipes técnicas de nossos parceiros fornecedores de sistemas de transmissão para analisar o ciclo de trabalho da máquina e as características de carga hidráulica. Com base nos dados operacionais coletados de carregadeiras de rodas movidas a diesel já em operação no campo, foi selecionada uma arquitetura elétrica com dois motores para otimizar a eficiência e manter a produtividade.
A solução final combinou:
- Um motor de tração PMSM de alta tensão
- Um motor dedicado para bomba hidráulica elétrica
- Um controlador de motor integrado (MCU)
- Uma plataforma de bateria de 540 V CC
- Comunicação CAN J1939 entre veículos
À medida que a demanda por máquinas de construção elétricas continua crescendo em todo o mundo, a alta eficiência Sistemas de motores elétricos PMSM deverão se tornar uma das principais tecnologias que possibilitarão a criação de equipamentos fora de estrada com emissão zero. Os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) estão adotando cada vez mais soluções integradas Soluções para sistemas de propulsão de veículos elétricos para reduzir a complexidade do sistema de transmissão e, ao mesmo tempo, melhorar a eficiência geral do sistema e a confiabilidade operacional.
Principais desafios na eletrificação das carregadeiras de rodas
A eletrificação de uma carregadeira de rodas para serviços pesados apresenta requisitos de engenharia muito diferentes em comparação com os veículos comerciais rodoviários. As carregadeiras de rodas operam sob demandas repetidas de torque de pico, condições ambientais adversas e ciclos contínuos de carga hidráulica.
Requisito de alto torque de pico
As carregadeiras de rodas exigem um torque extremamente alto durante a ruptura do solo com a caçamba e ao dar a partida em subidas com carga. Ao contrário dos veículos rodoviários, que apresentam cargas operacionais relativamente estáveis, as carregadeiras alternam repetidamente entre trabalhos pesados de escavação e deslocamentos de curta distância.
Para atender a essas condições operacionais, o motor de tração PMSM da Brogen selecionado oferece:
- 150 kW de potência de pico
- 1.600 N·m de torque máximo
- Capacidade de sobrecarga de 30 segundos
- Alta eficiência em faixas de operação com carga parcial
Essa configuração permite que a carregadeira de rodas elétrica alcance um desempenho comparável ao das máquinas movidas a diesel durante operações de escavação e manuseio de materiais.
A arquitetura de dois motores utilizada neste projeto segue os mesmos princípios de eletrificação já aplicados no Brogen’s soluções para veículos fora de estrada, onde os sistemas de acionamento elétrico são otimizados para equipamentos de construção, máquinas de mineração e veículos industriais que operam em condições de trabalho exigentes.
Resistência durante todo o turno
Um turno padrão de operação de uma carregadeira de rodas envolve, normalmente, 300 a 400 ciclos de carregamento. Para conseguir operar durante todo o turno sem a necessidade de recarga no meio do turno, foi necessária uma otimização cuidadosa tanto da eficiência do motor quanto do consumo de energia hidráulica.
Em vez de dimensionar o motor de tração com potência excessiva apenas para atingir a potência máxima, o trem de força foi otimizado para a eficiência no ciclo de trabalho real. A plataforma PMSM selecionada mantém a eficiência máxima acima de 97%, ajudando a maximizar as horas de operação do sistema de bateria LFP do cliente.
Consumo de energia do sistema hidráulico
As carregadeiras de rodas a diesel convencionais acionam continuamente a bomba hidráulica diretamente a partir do motor, mesmo quando não há necessidade de movimento hidráulico. Isso gera perdas energéticas substanciais em marcha lenta.
Para aumentar a eficiência, a carregadeira de rodas elétrica adota uma arquitetura hidráulica elétrica independente, utilizando um motor-bomba hidráulica PMSM dedicado. O fluxo hidráulico é gerado somente quando solicitado pelas operações de elevação, direção ou movimento da caçamba.
Esse projeto reduz significativamente o consumo desnecessário de energia durante o funcionamento em modo inativo e em condições de carga parcial.
Ambiente operacional adverso
As máquinas de construção operam continuamente em ambientes que envolvem:
- Exposição à poeira
- Infiltração de água
- Vibração intensa
- Lama e detritos
- Grande variação da temperatura ambiente
- Ciclos contínuos de carga pesada
Os sistemas de motor e controlador da Brogen selecionados para este projeto foram projetados para aplicações comerciais pesadas e fora de estrada, apresentando:
- Índice de proteção IP67
- Caixa integrada com resfriamento a água
- Isolamento Classe H da norma IEC 60034
- Resistência à vibração conforme a norma ISO 16750-3
- Faixa de temperatura de operação de −25 °C a +55 °C
Para melhorar a estabilidade térmica geral, o motor de tração adota tecnologias avançadas de resfriamento e otimização de eficiência semelhantes às discutidas no artigo de Brogen sobre tecnologias de controle de perdas em motores de acionamento. Um gerenciamento térmico eficiente é fundamental para manter o desempenho contínuo durante ciclos de operação off-road exigentes.
Produtos da Brogen fornecidos para o projeto
Motor de tração PMSM de 150 kW
A unidade de tração principal é um motor síncrono de ímã permanente (PMSM) refrigerado a água, pertencente ao portfólio de motores para veículos comerciais da Brogen. O motor substitui diretamente o motor a diesel original, mantendo a transmissão e o sistema de eixos existentes do fabricante original.
A plataforma PMSM opera em uma arquitetura de 540 V CC, comumente utilizada em veículos comerciais elétricos para serviços pesados e em máquinas fora de estrada. Essa plataforma de tensão permite a compatibilidade com sistemas de baterias LFP de grande capacidade, mantendo níveis de corrente controláveis em condições de carga máxima.
A carcaça compacta e integrada do motor simplificou a instalação no compartimento do motor original e reduziu a necessidade de grandes modificações no chassi.
Especificações do motor de tração PMSM
| Parâmetro | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Tipo de motor | PMSM (PM interno) | Resfriado a água |
| Potência nominal | 90 kW | Saída contínua |
| Potência de pico | 150 kW | Sobrecarga de 30 segundos |
| Torque nominal | 800 N·m | Contínuo |
| Torque máximo | 1.600 N·m | Sobrecarga de 30 segundos |
| Velocidade básica | 4.500 rpm | Velocidade nominal de operação |
| Velocidade máxima | 6.000 rpm | Região de enfraquecimento do campo |
| Tensão nominal | 540 V CC | Compatível com 450–720 V |
| Eficiência máxima | >97% | Eficiência otimizada em carga parcial |
| Método de resfriamento | Água/glicol | Resfriamento em circuito fechado |
| Índice de proteção | IP67 | IEC 60529 |
| Classe de isolamento | H (180 °C) | IEC 60034 |
| Comunicação | CAN 2.0B / J1939 | Integração veicular |
| Temperatura operacional | de −25 °C a +55 °C | Ambiente de trabalho exigente |
Observação: As especificações finais variam de acordo com a aplicação e os requisitos do ciclo de trabalho.
Produtos da Brogen fornecidos para o projeto
Controlador de motor integrado (MCU)
O projeto utiliza um controlador autônomo de motor de alta tensão integrado à arquitetura de controle do veículo da carregadeira de rodas por meio da comunicação CAN J1939.
O MCU controla:
- Controle de torque do motor de tração
- Funcionamento do motor da bomba hidráulica
- Frenagem regenerativa
- Proteção térmica
- Diagnóstico do sistema
- Comunicação com a unidade de controle do veículo (VCU)
Foram adotados algoritmos de controle orientado por campo (FOC) para melhorar a controlabilidade em baixa velocidade e a precisão da resposta de torque, aspectos essenciais para aplicações em equipamentos pesados de construção.
A arquitetura de acionamento elétrico também se beneficia das tecnologias de controladores integrados comumente utilizadas nos modernos sistemas de acionamento elétrico “tudo em um”, onde a integração compacta do sistema aumenta a eficiência da montagem e simplifica a instalação pelo fabricante original (OEM).
Motor de bomba hidráulica de 45 kW
O sistema hidráulico é acionado por um motor PMSM dedicado de 45 kW, que opera na mesma plataforma de 540 V CC.
Ao contrário das bombas hidráulicas convencionais acionadas por motor, a arquitetura hidráulica elétrica permite a geração de fluxo hidráulico somente quando solicitado pelas funções de elevação, direção ou funções auxiliares. Isso melhora a eficiência geral e, ao mesmo tempo, reduz o consumo de energia em marcha lenta.
O motor hidráulico dedicado aciona:
- Elevação com caçamba
- Movimento do braço da carregadeira
- Sistema hidráulico de direção
- Funções hidráulicas auxiliares
A separação entre a tração e o fornecimento de potência hidráulica também elimina a competição por potência entre o deslocamento da máquina e as operações de trabalho.
A experiência da Brogen na eletrificação de veículos comerciais permite que a empresa ofereça suporte aos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) com soluções escaláveis sistemas de propulsão elétrica para veículos comerciais e aplicações em máquinas off-road que utilizam tecnologias comprovadas de transmissão de alta tensão.
Produtos da Brogen fornecidos para o projeto
Arquitetura de dois motores
A carregadeira de rodas adota uma configuração com dois motores, composta por:
- Um motor PMSM de tração conectado à transmissão original
- Um motor de bomba hidráulica dedicado
Ambos os sistemas operam a partir de um barramento comum de 540 V CC alimentado pelo sistema de baterias.
Em comparação com as arquiteturas de motor único, esse layout oferece várias vantagens:
- Controle independente da tração e do sistema hidráulico
- Melhoria da eficiência energética
- Resposta hidráulica mais estável
- Redução da flutuação da corrente de pico
- Maior controle do operador durante operações simultâneas de deslocamento e elevação
Essa arquitetura é amplamente considerada uma das abordagens de eletrificação mais práticas para máquinas off-road de médio e grande porte.
Frenagem regenerativa
A frenagem regenerativa fica ativada durante:
- Desaceleração do veículo
- Deslocamento em declive
- Marcha livre com carga reduzida
A energia de frenagem recuperada é devolvida ao sistema de baterias, ajudando a prolongar as horas de operação e a reduzir o consumo total de energia.
Durante os testes de campo iniciais em uma instalação de logística portuária, a recuperação de energia regenerativa contribuiu com aproximadamente 12–15% da energia total descarregada em condições operacionais típicas.
Integração de veículos com o protocolo CAN J1939
O sistema de transmissão da Brogen se comunica com a unidade de controle do veículo do fabricante original (OEM) por meio de protocolos CAN J1939 padrão, amplamente adotados em aplicações de veículos comerciais e equipamentos de construção.
A estrutura de comunicação aberta simplificou a integração e permitiu que a equipe de software do OEM tivesse acesso a:
- Velocidade do motor
- Demanda de torque
- Dados de temperatura
- Diagnóstico de falhas
- Informações sobre o estado de carga da bateria
- Status da limitação de potência
Essa abordagem reduziu a complexidade da integração, mantendo a compatibilidade com a estratégia de controle de máquinas já existente do cliente.
Resultados da validação de campo
Após a integração do sistema de propulsão, foram implantadas máquinas protótipos para validação em uma instalação logística portuária regional, envolvendo operações contínuas de carregamento e transporte.
Resumo da validação de campo
| Item de validação | Resultado |
|---|---|
| Resistência durante todo o turno | Concluí um turno de 8 horas com mais de 10% de bateria restante |
| Operação do ciclo da caçamba | Aproximadamente 350 ciclos de carga |
| Capacidade de subida | Rampa 20% com carga útil nominal |
| Redução dos custos de energia | Aproximadamente 65–70% a menos que o diesel |
| Confiabilidade do sistema de transmissão | Não foram observadas intervenções de manutenção no sistema de transmissão durante a validação inicial |
| Feedback do operador | Redução do ruído no interior do veículo e melhoria na resposta do torque em baixas velocidades |
Eficiência operacional
Em comparação com a plataforma a diesel original, a carregadeira de rodas elétrica apresentou custos operacionais significativamente menores devido a:
- Custo energético reduzido por hora de operação
- Eliminação do consumo de combustível em marcha lenta do motor
- Menos manutenção no sistema de transmissão
- Menos componentes do sistema de transmissão sujeitos a desgaste
Os operadores de frotas também relataram uma melhor controlabilidade durante manobras em baixa velocidade e operações de carregamento.
Redução de ruído e emissões
Uma das principais vantagens observadas durante a implantação foi a redução substancial do ruído operacional em comparação com máquinas convencionais movidas a diesel.
Isso torna as carregadeiras elétricas particularmente adequadas para:
- Projetos de construção urbana
- Instalações logísticas internas
- Operação noturna
- Zonas ambientalmente sensíveis
- Aplicações portuárias e de armazenagem
A ausência de emissões locais de exaustão também melhora as condições de trabalho dos operadores e do pessoal nas proximidades.
O projeto também demonstra o quão avançado tecnologias de motores de fluxo axial e os sistemas PMSM de alta densidade de potência estão moldando a próxima geração de máquinas elétricas para construção, com maior eficiência, peso reduzido e maior densidade de torque.
Conclusão: o futuro dos veículos elétricos para construção
Este projeto demonstra a eletrificação bem-sucedida de uma carregadeira de rodas de 10 toneladas, utilizando o motor PMSM de alta tensão da Brogen e tecnologias de trem de força para veículos elétricos (EV), destinadas a aplicações off-road exigentes.
A arquitetura com dois motores proporcionou operação durante todo o turno, alto torque de arrancada e desempenho confiável, ao mesmo tempo em que reduziu os custos operacionais, as emissões e as necessidades de manutenção em comparação com as máquinas a diesel convencionais.
Com soluções escaláveis de trem de força elétrico para equipamentos de construção e industriais, a Brogen continua apoiando os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) no desenvolvimento da próxima geração de veículos fora de estrada eficientes e com emissão zero.
Isenção de responsabilidade: os detalhes do projeto mostrados são exemplos representativos. As especificações e o desempenho podem variar dependendo dos requisitos do cliente e das condições operacionais. Algumas informações podem ser ajustadas para proteger dados confidenciais do projeto.
Perguntas frequentes
Que tipo de motor é utilizado neste projeto de carregadeira elétrica?
O projeto utiliza um motor síncrono de ímã permanente (PMSM) de alta tensão da linha de motores para veículos elétricos comerciais da Brogen, tanto para o acionamento de tração quanto para o fornecimento de energia hidráulica.
A carregadeira elétrica consegue completar um turno inteiro de trabalho com uma única carga?
Sim, a carregadeira foi projetada para operar durante um turno completo de aproximadamente 8 a 10 horas, em ciclos de trabalho típicos de pedreiras e logística portuária.
Por que o projeto utiliza uma arquitetura com dois motores?
O sistema de dois motores separa as funções de tração e hidráulicas, melhorando a eficiência energética, a resposta hidráulica e o desempenho geral da máquina durante operações simultâneas de condução e carregamento.
O sistema de propulsão elétrico é adequado para ambientes de construção adversos?
Sim, os sistemas de motor e controlador foram projetados para aplicações off-road de alta exigência, com proteção IP67, resfriamento a água e alta resistência à vibração
Essa solução de eletrificação pode ser adaptada a outros equipamentos de construção?
Sim, a mesma arquitetura do trem de força de veículos elétricos também pode ser aplicada a escavadeiras, manipuladores telescópicos, empilhadeiras, equipamentos de mineração e outros veículos industriais fora de estrada.
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