De los arneses de cableado a las redes neuronales: el presente estudio explora la evolución y las tendencias de la arquitectura eléctrica en el contexto de la electrificación de la maquinaria de construcción.

El objetivo de la neutralidad global en carbono ha impulsado un rápido avance en la electrificación de la maquinaria de construcción. Esta transformación va mucho más allá de la simple sustitución de motores diésel por baterías y motores eléctricos; transforma fundamentalmente la arquitectura eléctrica/electrónica (AEE) de la maquinaria de construcción. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de la evolución de la AEE de la maquinaria de construcción eléctrica, que abarca un examen detallado de sus factores impulsores, un análisis comparativo con el desarrollo de vehículos de pasajeros, un análisis de las diferencias entre esta y los sistemas de combustible, y un análisis exhaustivo de sus principales retos y futuras orientaciones.

I. Fuerzas impulsoras: La necesidad de transformación.

La evolución de la maquinaria de construcción EEA no es un concepto teórico, sino más bien un resultado inevitable impulsado por múltiples factores.

1.1 Marco regulatorio y de políticas ambientales sólido

A nivel mundial, se ha endurecido significativamente la normativa sobre emisiones (p. ej., Etapa V de la UE, Nacional IV de China) y los objetivos de reducción de carbono, lo que ha provocado un aumento sustancial de los costes de cumplimiento para la maquinaria diésel convencional. La electrificación se considera la solución más eficaz, con una AEMA eficiente como piedra angular.

1.2 El modelo del coste total de propiedad (TCO): un caso para los equipos de construcción eléctricos

Un estudio preliminar sobre las implicaciones financieras de los equipos de construcción eléctricos revela varias ventajas en términos de costo total de propiedad (TCO). Si bien el desembolso inicial para la adquisición de estos equipos es mayor que el de los equipos diésel, los gastos operativos son significativamente menores, siendo la electricidad una opción más rentable. Además, los gastos de mantenimiento se reducen sustancialmente, eliminando así la necesidad de cambios de aceite, reemplazo de filtros y otros gastos similares. El sistema Advanced EEA optimiza la gestión energética, mejorando así la eficiencia y acortando el periodo de amortización de la inversión.

1.3 Requisitos esenciales para la mejora de la inteligencia y la productividad

Los escenarios inteligentes, como la construcción automatizada, la operación remota y la coordinación de flotas, exigen capacidades robustas de adquisición, procesamiento y toma de decisiones de datos. Es evidente que las arquitecturas distribuidas tradicionales son incapaces de satisfacer los requisitos de comunicación de alto ancho de banda y baja latencia. Por consiguiente, las AEE centralizadas se convierten en la opción inevitable.

1.4 Requisitos obligatorios de seguridad funcional y ciberseguridad

La implementación de sistemas de alta tensión genera nuevos riesgos de seguridad, lo que exige el cumplimiento de las normas de seguridad funcional (ISO 26262) y ciberseguridad (ISO 21434). Los nuevos diseños de la AEMA deben incorporar principios de seguridad desde el principio.

2. Se llegaron a las siguientes conclusiones: La trayectoria evolutiva del vehículo de pasajeros EEA

La evolución de la EEA en maquinaria de construcción se nutre en gran medida de la experiencia de desarrollo de vehículos de pasajeros, siguiendo una trayectoria muy similar pero ligeramente distinta.

2.1 Arquitectura Distribuida (Era 1.0): Cada función está controlada por una ECU independiente, interconectada mediante un bus CAN/LIN. El alto grado de acoplamiento del sistema presente en el diseño dificultó el proceso de actualización.

2.2 Arquitectura centralizada por dominios (Era 2.0): Las ECU se consolidan por dominios funcionales (por ejemplo, tren motriz, carrocería, cabina, conducción autónoma) y son gestionadas por un controlador de dominio (DCU). La disociación de los componentes de hardware y software allanó el camino para la implementación de actualizaciones inalámbricas (OTA).

2. La Arquitectura de Control Centralizado y por Zonas (Era 3.0) es un sistema que utiliza una combinación de metodologías de control centralizado y por zonas. Un pequeño número de unidades centrales de cómputo (HPC) de alto rendimiento funciona como núcleo, gestionando así todas las tareas de alto consumo computacional. Los controladores de múltiples zonas (ZCU) se implementan periféricamente y son responsables de la distribución de energía, las funciones de puerta de enlace de datos y las interfaces de E/S. Esto constituye la base de hardware para el "vehículo definido por software".

La evolución de la maquinaria de construcción ha sido relativamente estática, y actualmente la mayoría se encuentra en transición de la Era 1.0 a la Era 2.0. Sin embargo, las duras condiciones de operación que experimentan estos vehículos exigen una fiabilidad y un rendimiento en tiempo real mucho mayores que los que se exigen a los vehículos de pasajeros.

3. Transformación disruptiva: Se presenta aquí una comparación exhaustiva de los méritos relativos de la EEA en maquinaria de construcción impulsada por combustible y eléctrica.

El EEA en las máquinas de construcción impulsadas por combustible y eléctricas presenta diferencias fundamentales, ya que estas últimas evolucionan desde un subsistema auxiliar hasta convertirse en el sistema nervioso y muscular central de toda la máquina.

3.1 Evolución de la filosofía arquitectónica: una transición de un rol auxiliar a una posición central.

Maquinaria propulsada por combustible: El EEA funciona como un sistema auxiliar, con transmisión hidráulica y mecánica como núcleo. Los sistemas eléctricos son responsables del arranque del motor, la iluminación del vehículo y la provisión de controles fundamentales. Este sistema se conoce como "arquitectura central de bajo voltaje de 12/24 V".

Maquinaria Eléctrica: La EEA es el sistema central de potencia y control, responsable de la distribución, conversión y gestión de la energía. Esta configuración puede denominarse "arquitectura de control de dominio paralelo de alta y baja tensión".

3.2 Transformación de energía y potencia: La transición de la energía química a la energía eléctrica

Maquinaria impulsada por combustible: La energía que impulsa el vehículo proviene del combustible diésel, que el motor convierte en energía mecánica. Durante este proceso también se genera una pequeña cantidad de energía eléctrica, producida por el generador.

Maquinaria eléctrica: El suministro de energía proviene de baterías de alto voltaje (300-800 V), que alimentan motores mediante inversores y facilitan el funcionamiento de sistemas de bajo voltaje mediante convertidores CC-CC. La transición de la gestión energética de un modelo lineal a uno en red se caracteriza por la coordinación de los procesos de toma de decisiones entre la Unidad de Control del Vehículo (UCV) y el Sistema de Gestión de Baterías (SGB).

3.3 La siguiente sección examinará la evolución de las redes de comunicación. La progresión de la simplicidad a la complejidad es un aspecto fundamental de este tema.

Vehículos equipados con motores de combustión interna. El primer y segundo bus CAN considerados cuentan con un número limitado de nodos, de entre 10 y 20, y se distinguen por un diseño estructural relativamente sencillo.

Maquinaria eléctrica: El sistema en cuestión requiere dos conexiones adicionales: una CAN de alimentación (para conectar BMS, MCU y VCU) y una CAN de carga (para conectar OBC y la estación de carga). A medida que las topologías de red se vuelven cada vez más complejas, el papel de las puertas de enlace cobra una importancia crucial. Se prevé que la siguiente evolución se oriente hacia redes troncales CAN FD y Ethernet.

3.4 La tercera sección de este texto se centra en la evolución de sensores y actuadores. Este artículo describe la transición del control mecánico al electrónico.

Motores de combustión interna: Los sensores suelen estar orientados a la medición de parámetros mecánicos, como las revoluciones por minuto (RPM), la presión y la temperatura. En cambio, los actuadores utilizan principalmente válvulas solenoides.

Vehículos eléctricos: La integración de diversos sensores eléctricos (p. ej., voltaje, corriente, aislamiento, resolver) es fundamental. Además, la incorporación de actuadores, que retienen las electroválvulas hidráulicas, es esencial para la posterior incorporación de motores de accionamiento e inversores. Este desarrollo supone un cambio de paradigma: del accionamiento hidráulico convencional al accionamiento eléctrico contemporáneo.

4. Trayectoria evolutiva: El presente artículo establece las tres etapas del desarrollo de la EEA en el campo de la maquinaria de construcción eléctrica.

Se propone que la evolución del EEE se pueda dividir en tres etapas, aprovechando la experiencia con los vehículos de pasajeros y teniendo en cuenta las características de la maquinaria de construcción.

Fase uno: Arquitectura distribuida (Electrificación 1.0)

El objetivo principal de esta fase es abordar el reto de la transición de un estado de ausencia a uno de presencia. La integración de los tres sistemas eléctricos con la arquitectura mecánica tradicional se logra mediante injerto, un proceso que preserva la independencia de numerosas ECU, incluyendo el BMS, el MCU y la VCU. La coexistencia de sistemas de alta y baja tensión da lugar a topologías de red cada vez más complejas, manteniendo al mismo tiempo una clara separación de los dominios funcionales. Este desarrollo refleja la situación actual de la mayoría de la maquinaria eléctrica de construcción.

La segunda fase del proyecto se centra en la Arquitectura Centralizada de Dominio (Electrificación 2.0) , cuyo objetivo es pasar de un estado satisfactorio a uno superior. La siguiente etapa de integración funcional está marcada por la introducción del concepto de controladores de dominio.

Dominio del tren motriz: el sistema integra funciones de VCU, MCU y BMS en un controlador de dominio del tren motriz unificado, coordinando así la distribución de energía, las solicitudes de torque y las estrategias de gestión térmica.

Dominio del chasis: El vehículo en cuestión integra funciones controladas eléctricamente, incluida la conducción, la dirección y el frenado.

Dominio de cabina inteligente: la integración de grupos de instrumentos, pantallas de control centrales y procesadores telemáticos (T-Box) sirve para mejorar la interacción hombre-máquina.

Controladores de Área: La integración de funciones laterales de la carrocería, como iluminación, limpiaparabrisas e interfaces de E/S, es un proceso que está comenzando a desarrollarse. La disociación entre hardware y software facilita el establecimiento de una base para las actualizaciones OTA.

Fase Tres : El objetivo de la fase de Control Centralizado + Zonal (Electrificación 3.0) es facilitar una transición desde un estado de rendimiento meramente adecuado a uno de calidad excepcional, logrando así el concepto de "hardware definido por software".

La Unidad Central de Cómputo (HPC) se compone de una o dos HPC de alto rendimiento, que gestionan conjuntamente toda la potencia de procesamiento del núcleo. Estas máquinas operan con un sistema operativo unificado, lo que facilita la implementación flexible de funciones y la colaboración entre dominios.

Controladores de zona: Se ha demostrado que varias ZCU funcionan como "puentes", estableciendo así una conexión entre la computadora central y las interfaces físicas, incluidos sensores, actuadores y sistemas de distribución de energía.

Red troncal Ethernet: Ethernet de alta velocidad puede considerarse como el sistema nervioso central que conecta las HPC con las ZCU para facilitar la transmisión rápida de volúmenes de datos sustanciales.

Recién ahora la maquinaria de construcción es capaz de realizar iteraciones funcionales continuas y optimizar el rendimiento de forma continua, allanando el camino para una conducción autónoma de alto nivel y operaciones totalmente no tripuladas.

5. Desafíos significativos: obstáculos encontrados en el camino hacia el futuro

La evolución de la maquinaria de construcción eléctrica (EEA) no ha sido nada sencilla y ha tenido que enfrentarse a desafíos incluso más estrictos que los de los vehículos de pasajeros.

5.1. Condiciones extremas de funcionamiento

La fiabilidad de los componentes electrónicos, el sellado de los conectores y la durabilidad del cableado se ven significativamente afectados por condiciones de funcionamiento extremas. Estas incluyen vibraciones e impactos intensos, fluctuaciones extremas de temperatura y exposición a diversos contaminantes (agua, polvo, lodo y aceite). Las soluciones a este problema incluyen índices de protección IP más altos (p. ej., IP6K/IP9K), diseños resistentes a las vibraciones, componentes con un amplio rango de temperatura y sistemas complejos de gestión térmica.

5.2. Desafíos de compatibilidad electromagnética extremadamente complejos

Los inversores de alta potencia (IGBT/MOSFET) se caracterizan por operar a frecuencias de conmutación elevadas, lo que los convierte en potentes fuentes de interferencias electromagnéticas. Al mismo tiempo, las señales transmitidas por los sensores analógicos distribuidos por la carrocería del vehículo son notablemente débiles y vulnerables a las interferencias. Esto requiere la implementación de rigurosas medidas de apantallamiento, como el apantallamiento de doble capa para líneas de alta tensión, la instalación de filtros, la optimización de las reglas de enrutamiento (aislamiento de alta/baja tensión) y el diseño de sistemas de puesta a tierra.

5.3. Desafíos en la disposición del sistema y la distancia de seguridad

La necesidad de espacios compactos debe acomodar sistemas de alta y baja tensión, líneas hidráulicas y estructuras mecánicas, manteniendo al mismo tiempo las distancias de aislamiento y fuga entre los componentes de alta tensión para evitar averías. Esta cuestión se aborda mediante un enfoque multifacético que abarca el diseño integrado "multifuncional", la simulación CFD y el estricto cumplimiento de las normas de seguridad.

5.4. Alto rendimiento en tiempo real y desafíos de seguridad funcional

En escenarios operativos, es fundamental mantener la latencia de los comandos de control en milisegundos, ya que las interrupciones de la comunicación pueden provocar accidentes graves. Esto requiere redes con alto rendimiento en tiempo real (CAN FD), alta confiabilidad (diseño redundante) y cumplimiento de los requisitos de seguridad funcional de ASIL-D.

6. Conclusión

La evolución de las arquitecturas electrónicas/eléctricas en la maquinaria eléctrica de construcción supone una profunda revolución, pasando de una "columna vertebral hidráulica" a una "red neuronal digital". La entidad en cuestión está evolucionando desde un modelo "distribuido" a uno "centrado en el dominio" y finalmente a uno "centralizado", con el objetivo final de convertirse en una entidad inteligente definida por software y en constante evolución.

A pesar de los desafíos que se avecinan, es inevitable que esta transformación transforme toda la industria, ofreciendo eficiencia, limpieza, inteligencia y seguridad sin precedentes. Para los fabricantes de equipos originales (OEM) y sus proveedores, es fundamental comprender a fondo los principios fundamentales de esta evolución arquitectónica y dominar sus tecnologías fundamentales para tomar la iniciativa en esta era transformadora y asumir un papel de liderazgo en la configuración del futuro.