Análise de simulação de consumo de energia de diferentes configurações de acionamento elétrico para carregadores

 Os sistemas de acionamento elétrico são uma direção futura crítica para os sistemas de transmissão de máquinas de construção, como carregadeiras. Com base em uma comparação de três configurações de acionamento elétrico—Caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento lateral da roda—Este estudo estabelece um modelo de simulação do sistema de transmissão de veículos usando o AVL Cruise para analisar o consumo de energia de um carregador durante operações típicas do ciclo V. Os resultados fornecem suporte baseado em simulação para o design de sistemas de acionamento elétrico para carregadores.  

 Os resultados da simulação indicam que, para um carregador de 5 toneladas em estudo, as diferenças de consumo de energia entre as três configurações (caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento do lado da roda) durante uma operação típica do ciclo V são mínimas. A configuração da unidade do lado da roda exibe uma pequena vantagem na eficiência energética.  

Este estudo propõe que, durante o projeto de carregadores elétricos puros, fatores como redução de custos, desenvolvimento do sistema de controle, viabilidade de seleção de motores e layout espacial devem ser priorizados ao selecionar configurações de acionamento elétrico.  

As máquinas de construção desempenham um papel vital no desenvolvimento nacional de infraestrutura, mineração, operações portuárias e defesa nacional, mas também gera emissões significativas de carbono.  

Com o lançamento da China’S "Pico de carbono" e "neutralidade de carbono", o setor de máquinas de construção precisa atualizar com urgência para atualizar sua estrutura industrial. Tecnologias, eletrificação e inteligência de baixo carbono são tendências-chave para o desenvolvimento futuro.  

 Tomar grupos de força carregador como exemplo, acionamentos híbridos, acionamentos elétricos puros e acionamentos de células de combustível de hidrogênio emergiram como soluções em potencial.  

Em 2008, a Volvo introduziu um carregador híbrido paralelo integrando um motor ISG entre o motor diesel e o conversor de torque, melhorando a eficiência do combustível.  

 Em 2014, John Deere lançou um carregador híbrido da série que eliminou o eixo de transmissão e acionamento, usando um gerador acionado por motor para motores diretamente do lado da roda.  

Em 2013, a CAT desenvolveu um carregador híbrido da série que simplificou a transmissão para um redutor de velocidade única integrada a um motor, mantendo o eixo de acionamento enquanto usava o motor diesel apenas para geração de energia.  

 Comparados às soluções híbridas, as unidades elétricas puras oferecem vantagens como emissões zero, tecnologia madura e suporte de políticas, tornando -os um ponto focal para os fabricantes domésticos.  

Com base na energia e na colocação do motor, as configurações de acionamento elétrico puro podem ser categorizadas em três tipos: caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento do lado da roda.  

 Layouts diferentes afetam o desempenho geral do veículo, a eficiência energética e o custo.  

 Em 2019, AILISHENG  introduziu um carregador elétrico puro ALS958EV  Com base na configuração da caixa de engrenagens elétricas, adotando um único motor + caixa de engrenagens de 2 velocidades + layout do eixo de acionamento.  

Em 2023, AILISHNEG  Desenvolveu um carregador de lidra elétrica puro de skid als3090ev com uma configuração elétrica de acionamento lateral da roda, utilizando quatro motores.

Em 2024, Ailisheng desenvolveu um carregador elétrico puro  ALS916EV  com uma configuração de eixo elétrico, utilizando motores duplos e eliminando a transmissão [6, 9].  

 Atualmente, há uma falta de estudos comparativos sistemáticos em configurações de acionamento elétrico em máquinas de construção. Este artigo aborda essa lacuna estabelecendo um modelo de simulação do sistema de transmissão de carregador no cruzeiro AVL para analisar o consumo de energia de três configurações (caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento lateral da roda) durante operações típicas do ciclo V, fornecendo informações para desenvolvimento de carregadores elétricos .  

1. Configurações de acionamento elétrico para carregadores

Este estudo se concentra em um carregador de 5 toneladas para simular e comparar o consumo de energia de três configurações de acionamento elétrico: caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento à beira da roda.  

As figuras 4, 5 e 6 ilustram os layouts de transmissão para as configurações de caixa de engrenagens elétricas, eixo elétrico e acionamento do lado da roda, respectivamente. Nos diagramas: ** b ** denota a bateria, ** i ** o inversor, ** t ** a transmissão, ** M ** o motor de acionamento, ** r ** o redutor do lado da roda, tracejado As linhas representam conexões elétricas e linhas sólidas representam conexões mecânicas.  

 
                                                                     Figura 4: Caminho de energia elétrica da caixa de engrenagens  

 
                                                                       Figura 5: Caminho de energia de configuração do eixo elétrico  

                                                                    Figura 6: Caminho de potência de acionamento do lado da roda  

1.1 Configuração da caixa de engrenagens elétricas   

Comparado aos layouts tradicionais do motor a diesel, a configuração da caixa de engrenagens elétrica substitui o motor diesel por bateria e motor de acionamento. O trem de força (Figura 4) compreende uma bateria, inversor, motor de acionamento, transmissão (com relações de engrenagem de 3,6 e 1,4) e eixo de acionamento (relação de transmissão: 22.8).  

1.2 Configuração do eixo elétrico  

A configuração do eixo elétrico remove a transmissão mecânica do layout da caixa de engrenagens elétricas. Seu trem de força (Figura 5) inclui uma bateria, inversor, motor de acionamento e eixo de acionamento (relação de transmissão: 22.8).  

1.3 Configuração de acionamento do lado da roda

Na configuração da unidade do lado da roda, a energia do motor de acionamento é transmitida através de um redutor planetário para o cubo da roda. O trem de força (Figura 6) consiste em uma bateria, inversor, motor de acionamento e redutor planetário (relação de transmissão: 52.91).  

2. Modelo de simulação de veículo com carregador elétrico  

O AVL Cruise, um software de simulação de veículo modular e trem de força, foi usado para modelar diferentes configurações para análise de desempenho rapidamente.  

2.1 Modelo de veículo elétrico

O modelo de carregador elétrico inclui:  

1) módulo de veículo para configurações de parâmetros;  

2) módulo de controle do driver para a lógica da troca de marchas;  

3) módulos do sistema de transmissão (transmissão, eixo de acionamento, motor);  

4) Módulo de interface para simulação de entrada de carga.  

Os principais parâmetros estão listados na Tabela 1.  

 Tabela 1: Parâmetros do veículo carregador  

O módulo de motorista usa o AVL Cruise’S Modelo de driver padrão e o espectro de carga de simulação é baseado em uma operação típica do ciclo V (distância do ciclo único: 93 m, velocidade máxima: 12 km/h). A eficiência de transmissão e eixo de acionamento é definida como constantes para comparação.  

2.2 Configuração de operação do ciclo V do carregador  

A Figura 7 mostra uma operação típica do ciclo V, compreendendo:  

1) aceleração, cruzeiro e desaceleração do ponto A para o ponto de carregamento O1;  

2) movimento reverso de O1 para B após o carregamento;  

3) movimento avançado de B para o ponto de descarregamento O2;  

4) Movimento reverso de O2 para D após a descarga.  

                                                                                   Figura 7: Operação do ciclo V do carregador  

Os dados de velocidade medidos de um carregador de 5 toneladas movidos a diesel foram usados ​​para derivar a relação de velocidade de velocidade durante o ciclo V (Figura 8).  

                                                                       Figura 8: Perfil de velocidade durante o ciclo V  

A força horizontal FX (120 kN) foi aplicada para simular a resistência à escavação e foi adicionada força vertical para FY (49 kN), equivalente a 5.000 kg de carga (Figura 9).  

                                                                           Figura 9: Resistência à escavação e massa de carga  

As Figuras 8 e 9 juntas compreendem o espectro de carga completo de um ciclo operacional em forma de V típico de um carregador, fornecendo as condições de configuração para a simulação do modelo de simulação de veículo completo.

2.3 Desempenho do motor de acionamento

Um motor síncrono de ímã permanente (PMSM) foi selecionado para a configuração da caixa de engrenagens elétricas. Sua curva característica externa é mostrada na Figura 10, com parâmetros -chave na Tabela 2.  

                                                                          Figura 10: Curva de característica externa do motor  

> Tabela 2: Parâmetros do motor  

A eficiência do sistema motor (incluindo o inversor) é mostrada na Figura 11.

                                                                              Figura 11: Eficiência do motor do eixo elétrico

A maior eficiência (1,800–3.000 r/min, 200–1,100 N·m) foi mantido nas configurações, dimensionando os mapas de eficiência (Figuras 12 e 13).  

 Para eliminar a influência das diferenças de desempenho motor nos resultados da simulação, este artigo leva o mapa de eficiência de um certo tipo de motor síncrono de ímã permanente como base e escala-o de acordo com o princípio de manter a proporção de áreas de alta eficiência da unidade Motor consistente sob diferentes configurações de acionamento elétrico, para obter a eficiência do sistema do motor de acionamento aplicado ao eixo da transmissão elétrica e às configurações de acionamento do lado da roda, como mostrado na FIG. 10 e fig. 11, respectivamente    

                                                                                   Figura 12: Eficiência do motor do acionamento do eixo  

                                                                            Figura 13: Eficiência do motor da transmissão do lado da roda

3. Resultados da simulação e análise  

A análise de consumo de energia se concentrou apenas no trem de força, excluindo os efeitos da recuperação de energia.  

A Tabela 3 compara o consumo de energia das três configurações durante um único ciclo V.  

Tabela 3: Comparação de consumo de energia  

A Figura 14 mostra as tendências de consumo de energia. A unidade do lado da roda exibiu o menor consumo (4,5% e 6,4% menor que a caixa de câmbio e o eixo elétricos, respectivamente).  

                                                                                Figura 14: Tendências de consumo de energia  

A Figura 13 ilustra curvas de eficiência motora. A configuração da caixa de câmbio elétrica mostrou maior eficiência durante a aceleração/desaceleração, enquanto o acionamento do lado da roda se destacou durante o cruzeiro.  

                                                                                 Figura 15: curvas de eficiência motora  

Em resumo, apesar de perdas mecânicas adicionais da transmissão, a caixa de engrenagens elétricas’s maior eficiência motora compensar essas perdas. A unidade do lado da roda, sem perdas de transmissão e eficiência motora otimizada, alcançou o menor consumo de energia.  

4. Conclusões

Principais descobertas:  

(1) Para o carregador de 5 toneladas, as diferenças de consumo de energia entre as três configurações são pequenas, sendo a unidade do lado da roda a mais eficiente.  

(2) Os designers devem priorizar custos, seleção de motor, complexidade do sistema de controle e layout espacial ao escolher configurações de acionamento elétrico.  

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