AILISHENG Construction Equipment: líder en equipos de construcción eléctricos, solución integral para equipos de construcción.
Análisis de simulación de consumo de energía de diferentes configuraciones de accionamiento eléctrico para cargadores
Los sistemas de accionamiento eléctrico son una dirección futura crítica para los sistemas de transmisión de maquinaria de construcción, como los cargadores. Basado en una comparación de tres configuraciones de unidad eléctrica—caja de engranajes eléctricos, eje eléctrico y accionamiento del lado de la rueda—Este estudio establece un modelo de simulación del sistema de transmisión de vehículos que utiliza AVL Cruise para analizar el consumo de energía de un cargador durante las operaciones típicas de ciclo V. Los resultados proporcionan soporte basado en simulación para el diseño de sistemas de accionamiento eléctrico para cargadores.
Los resultados de la simulación indican que para un cargador de 5 toneladas en estudio, las diferencias de consumo de energía entre las tres configuraciones (caja de engranajes eléctricos, el eje eléctrico y la unidad del lado de la rueda) durante una operación típica del ciclo V son mínimas. La configuración de la unidad del lado de la rueda exhibe una ligera ventaja en la eficiencia energética.
Este estudio propone que durante el diseño de cargadores eléctricos puros, los factores como la reducción de costos, el desarrollo del sistema de control, la viabilidad de la selección del motor y el diseño espacial deben priorizarse al seleccionar configuraciones de accionamiento eléctrico.
La maquinaria de construcción juega un papel vital en el desarrollo de la infraestructura nacional, la minería, las operaciones portuarias y la defensa nacional, pero también genera emisiones significativas de carbono.
Con el lanzamiento de China’S "Peak de carbono" y Hoja de ruta "Neutralidad de carbono", la industria de la maquinaria de construcción necesita con urgencia actualizar su estructura industrial. Las tecnologías de baja carbono, la electrificación y la inteligencia son tendencias clave para el desarrollo futuro.
Tomar los motores de cargadores como ejemplo, las unidades híbridas, las unidades eléctricas puras y las unidades de celdas de combustible de hidrógeno han surgido como posibles soluciones.
En 2008, Volvo introdujo un cargador híbrido paralelo al integrar un motor ISG entre el motor diesel y el convertidor de torque, mejorando la eficiencia del combustible.
En 2014, John Deere lanzó un cargador híbrido en serie que eliminó el eje de transmisión y accionamiento, utilizando un generador dirigido por el motor para alimentar directamente los motores del lado de la rueda.
En 2013, CAT desarrolló un cargador híbrido en serie que simplificó la transmisión a un reductor de una sola velocidad integrada con un motor, reteniendo el eje de transmisión mientras usa el motor diesel únicamente para la generación de energía.
En comparación con las soluciones híbridas, las unidades eléctricas puras ofrecen ventajas como emisiones cero, tecnología madura y soporte de políticas, lo que los convierte en un punto focal para los fabricantes nacionales.
Según la potencia y la colocación del motor, las configuraciones de accionamiento eléctrico puro se pueden clasificar en tres tipos: caja de engranajes eléctricos, eje eléctrico y accionamiento del lado de la rueda.
Los diferentes diseños afectan el rendimiento general del vehículo, la eficiencia energética y el costo.
En 2019, AILISHENG introdujo un cargador eléctrico puro ALS958EV Basado en la configuración de la caja de engranajes eléctricos, adopte una sola caja de cambios + 2 velocidades + diseño de eje de transmisión.
En 2023, AILISHNEG desarrolló un cargador de dirección de patín eléctrico puro ALS3090EV con una configuración de accionamiento eléctrico del lado de la rueda, utilizando cuatro motores.
En 2024, Ailisheng desarrolló un cargador eléctrico puro ALS916EV con una configuración de eje eléctrico, utilizando motores duales y eliminando la transmisión [6, 9].
Actualmente, hay una falta de estudios comparativos sistemáticos sobre configuraciones de accionamiento eléctrico en maquinaria de construcción. Este documento aborda esta brecha al establecer un modelo de simulación del sistema de transmisión del cargador en AVL Cruise para analizar el consumo de energía de tres configuraciones (caja de engranajes eléctricos, eje eléctrico y accionamiento del lado de la rueda) durante las operaciones típicas del ciclo V, proporcionando información para el desarrollo de la carga eléctrica del cargador eléctrico .
- Configuraciones de unidad eléctrica para cargadores
Este estudio se centra en un cargador de 5 toneladas para simular y comparar el consumo de energía de tres configuraciones de accionamiento eléctrico: caja de engranajes eléctricos, eje eléctrico y accionamiento del lado de la rueda.
Las Figuras 4, 5 y 6 ilustran los diseños de transmisión para la caja de engranajes eléctricos, el eje eléctrico y las configuraciones de accionamiento del lado de la rueda, respectivamente. En los diagramas: ** b ** denota la batería, ** i ** el inversor, ** t ** la transmisión, ** m ** el motor de accionamiento, ** r ** el reductor del lado de la rueda, discontinuo Las líneas representan conexiones eléctricas, y las líneas continuas representan conexiones mecánicas.
Figura 4: ruta de alimentación de configuración de la caja de engranajes eléctricos
Figura 5: ruta de potencia de configuración del eje eléctrico
Figura 6: ruta de alimentación de configuración de la unidad del lado de la rueda
1.1 Configuración de la caja de engranajes eléctricos
En comparación con los diseños tradicionales del motor diesel, la configuración de la caja de engranajes eléctricos reemplaza el motor diesel con una batería y un motor de transmisión. El tren motriz (Figura 4) comprende una batería, inversor, motor de accionamiento, transmisión (con relaciones de engranaje de 3.6 y 1.4) y eje de accionamiento (relación de engranaje: 22.8).
1.2 Configuración del eje eléctrico
La configuración del eje eléctrico elimina la transmisión mecánica del diseño de la caja de engranajes eléctricos. Su tren motriz (Figura 5) incluye una batería, inversor, motor de accionamiento y eje de transmisión (relación de engranaje: 22.8).
1.3 Configuración de la unidad del lado de la rueda
En la configuración de la unidad del lado de la rueda, la energía del motor de transmisión se transmite a través de un reductor planetario al cubo de la rueda. El tren motriz (Figura 6) consiste en una batería, inversor, motor de accionamiento y reductor planetario (relación de engranaje: 52.91).
- Modelo de simulación de vehículos de cargador eléctrico
AVL Cruise, un software modular de simulación de vehículos y tren motriz, se utilizó para modelar diferentes configuraciones para el análisis de rendimiento rápidamente.
2.1 modelo de vehículo eléctrico
El modelo de cargador eléctrico incluye:
1) Módulo de vehículo para la configuración de parámetros;
2) Módulo de control del controlador para la lógica de cambio de cambios;
3) módulos del sistema de transmisión (transmisión, eje de transmisión, motor);
4) Módulo de interfaz para la simulación de entrada de carga.
Los parámetros clave se enumeran en la Tabla 1.
Tabla 1: Parámetros del vehículo del cargador
参数名称 |
Masa no superada /kg |
Misa cargada /kg |
Área frontal /metro 2 |
Radio de la rueda /mm |
Valor |
19500 |
24500 |
7 |
750 |
El módulo de controlador usa AVL Cruise’S Modelo de controlador estándar, y el espectro de carga de simulación se basa en una operación típica del ciclo V (distancia de un solo ciclo: 93 m, velocidad máxima: 12 km/h). Las eficiencias de transmisión y eje de transmisión se establecen como constantes para la comparación.
2.2 Configuración de operación del ciclo V cargador
La Figura 7 muestra una operación típica de ciclo en V, que comprende:
1) aceleración, crucero y desaceleración del punto A al punto de carga O1;
2) movimiento inverso de O1 a B después de la carga;
3) movimiento hacia adelante desde B hasta el punto de descarga O2;
4) Movimiento inverso de O2 a D después de la descarga.
Figura 7: Operación del ciclo V cargador
Se usaron datos de velocidad medidos de un cargador de 5 toneladas con motor diesel para derivar la relación de distancia de velocidad durante el ciclo V (Figura 8).
Figura 8: Perfil de velocidad durante V-Cycle
La fuerza horizontal FX (120 kN) se aplicó para simular la resistencia a la excavación y se añadió la fuerza vertical (49 kN）, equivalente a 5,000 kg de carga (Figura 9).
Figura 9: Resistencia de excavación y masa de carga
Las Figuras 8 y 9 juntas comprenden el espectro de carga completo de un ciclo operativo típico de forma de V de un cargador, proporcionando las condiciones de configuración para la simulación del modelo de simulación de vehículo completo.
2.3 Rendimiento del motor de accionamiento
Se seleccionó un motor sincrónico de imán permanente (PMSM) para la configuración de la caja de engranajes eléctricos. Su curva característica externa se muestra en la Figura 10, con parámetros clave en la Tabla 2.
Figura 10: Curva característica externa del motor
> Tabla 2: Parámetros del motor
Parámetro | Tensión nominal /V | La punta del Poder /KW | Torque pico （ N·M） | Máxima velocidad （/ r/min） |
Valor | 624 DC | 260 | 1800 | 4200 |
La eficiencia del sistema del motor (incluido el inversor) se muestra en la Figura 11.
Figura 11: Eficiencia del motor de eje eléctrico
La más alta eficiencia (1,800–3.000 r/min, 200–1,100 N·m) se mantuvo a través de las configuraciones escalando los mapas de eficiencia (Figuras 12 y 13).
Para eliminar la influencia de las diferencias de rendimiento del motor en los resultados de la simulación, este documento toma el mapa de eficiencia de un cierto tipo de motor sincrónico de imán permanente como base y lo escala de acuerdo con el principio de mantener la proporción de áreas de alta eficiencia del impulso Motor consistente en diferentes configuraciones de accionamiento eléctrico, para obtener la eficiencia del sistema del motor de accionamiento aplicado al eje de accionamiento eléctrico y las configuraciones de accionamiento del lado de la rueda, como se muestra en la Fig. 10 y fig. 11, respectivamente
Figura 12: Eficiencia del motor de accionamiento del eje
Figura 13: Eficiencia del motor de accionamiento del lado de la rueda
- Resultados y análisis de simulación
El análisis de consumo de energía se centró únicamente en la transmisión, excluyendo los efectos de recuperación de energía.
La Tabla 3 compara el consumo de energía de las tres configuraciones durante un solo ciclo V.
Tabla 3: Comparación de consumo de energía
Configuración | Caja de engranajes eléctricos | Eje eléctrico | Tracción del lado de la rueda |
Energía （KW·H） | 0.441 | 0.450 | 0.421 |
La Figura 14 muestra tendencias de consumo de energía. La unidad del lado de la rueda exhibió el consumo más bajo (4.5% y 6.4% más bajo que la caja y el eje de las engranajes eléctricos, respectivamente).
Figura 14: Tendencias de consumo de energía
La Figura 13 ilustra las curvas de eficiencia del motor. La configuración de la caja de engranajes eléctricos mostró una mayor eficiencia durante la aceleración/desaceleración, mientras que la unidad del lado de la rueda se destacó durante el crucero.
Figura 15: Curvas de eficiencia del motor
En resumen, a pesar de las pérdidas mecánicas adicionales de la transmisión, la caja de engranajes eléctricos’S mayor eficiencia motor compensó estas pérdidas. La unidad del lado de la rueda, sin pérdidas de transmisión y la eficiencia del motor optimizado, logró el consumo de energía más bajo.
- Conclusiones
Hallazgos clave:
(1) Para el cargador de 5 toneladas, las diferencias de consumo de energía entre las tres configuraciones son menores, siendo la unidad del lado de la rueda la más eficiente.
(2) Los diseñadores deben priorizar el costo, la selección del motor, la complejidad del sistema de control y el diseño espacial al elegir configuraciones de unidad eléctrica.
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