De chicotes elétricos a redes neurais: o presente estudo explora a evolução e as tendências da arquitetura elétrica no contexto da eletrificação de máquinas de construção.

O objetivo da neutralidade global de carbono impulsionou um rápido avanço na eletrificação no setor de máquinas de construção. Essa transformação vai muito além da mera substituição de motores a diesel por baterias e motores; ela remodela fundamentalmente a arquitetura elétrica/eletrônica (EEA) das máquinas de construção. Este artigo fornece uma análise abrangente da evolução da EEA das máquinas de construção elétricas, abrangendo um exame detalhado de suas forças motrizes, uma análise comparativa com o desenvolvimento de veículos de passeio, uma análise das diferenças entre ela e os sistemas de combustível e uma análise aprofundada de seus principais desafios e direções futuras.

I. Forças motrizes: A necessidade de transformação.

A evolução da maquinaria de construção EEA não é um conceito teórico, mas sim um resultado inevitável impulsionado por múltiplos fatores.

1.1 Política Ambiental Robusta e Estrutura Regulatória

Em escala global, houve um endurecimento significativo das regulamentações de emissões (por exemplo, UE Estágio V, China Nacional IV) e das metas de redução de carbono, resultando em um aumento substancial nos custos de conformidade para máquinas convencionais movidas a diesel. A eletrificação é identificada como a solução mais eficaz, tendo uma AEA eficiente como sua pedra angular.

1.2 O modelo de custo total de propriedade (TCO): um caso para equipamentos elétricos de construção

Uma investigação preliminar sobre as implicações financeiras dos equipamentos elétricos de construção revela diversas vantagens em termos de Custo Total de Propriedade (TCO). Embora o desembolso financeiro inicial para a aquisição desses equipamentos seja maior do que para os equivalentes movidos a diesel, as despesas operacionais são significativamente menores, sendo a eletricidade uma opção mais econômica. Além disso, as despesas de manutenção são substancialmente reduzidas, eliminando a necessidade de trocas de óleo, substituição de filtros e outros gastos semelhantes. O Advanced EEA otimiza a gestão de energia, aumentando a eficiência e reduzindo o período de retorno do investimento.

1.3 Requisitos essenciais para o aumento da inteligência e da produtividade

Cenários inteligentes, como construção automatizada, operação remota e coordenação de frotas, exigem capacidades robustas de aquisição, processamento e tomada de decisões de dados. É evidente que as arquiteturas distribuídas tradicionais são incapazes de atender aos requisitos de comunicação de alta largura de banda e baixa latência. Consequentemente, isso torna as AEAs centralizadas a escolha inevitável.

1.4 Requisitos obrigatórios para segurança funcional e cibersegurança

A implementação de sistemas de alta tensão gera novos riscos à segurança, exigindo, portanto, a adesão às normas de segurança funcional (ISO 26262) e cibersegurança (ISO 21434). Os novos projetos da AEA devem incorporar princípios de segurança desde o início.

2. As seguintes conclusões foram alcançadas: O Caminho Evolutivo do Veículo de Passageiros EEA

A evolução da EEA em máquinas de construção se baseia fortemente na experiência de desenvolvimento de veículos de passageiros, seguindo uma trajetória muito semelhante, mas ligeiramente distinta.

2.1 Arquitetura Distribuída (Era 1.0): Cada função é controlada por uma ECU independente, interconectada por um barramento CAN/LIN. O alto acoplamento do sistema presente no projeto tornou o processo de atualização desafiador.

2.2 Arquitetura Centralizada em Domínio (Era 2.0): As ECUs são consolidadas por domínios funcionais (por exemplo, trem de força, carroceria, cabine, direção autônoma) e são gerenciadas por um Controlador de Domínio (DCU). A dissociação dos componentes de hardware e software abriu caminho para a implementação de atualizações over-the-air (OTA).

2. 3 A Arquitetura de Controle Centralizado + Zona (Era 3.0) é um sistema que utiliza uma combinação de metodologias de controle centralizado e zonal. Um pequeno número de unidades de computação central (HPC) de alto desempenho funciona como núcleo, lidando assim com todas as tarefas computacionalmente intensivas. Controladores de Zona Múltipla (ZCU) são implantados perifericamente e são responsáveis ​​pela distribuição de energia, funções de gateway de dados e interfaces de E/S. Isso forma a base de hardware para o "veículo definido por software".

A evolução das máquinas de construção tem sido relativamente estática, com a maioria atualmente em transição da Era 1.0 para a Era 2.0. No entanto, as duras condições operacionais enfrentadas por esses veículos exigem confiabilidade e desempenho em tempo real muito maiores do que os exigidos para veículos de passeio.

3. Transformação disruptiva: uma comparação completa dos méritos relativos da EEA em máquinas de construção elétricas e movidas a combustível é apresentada aqui.

A AEE em máquinas de construção elétricas e movidas a combustível apresenta diferenças fundamentais, com esta última evoluindo de um subsistema auxiliar para os principais sistemas nervoso e muscular de toda a máquina.

3.1 Evolução na Filosofia da Arquitetura: Uma transição de um papel auxiliar para uma posição central.

Máquinas movidas a combustível: O EEA funciona como um sistema auxiliar, com sistemas hidráulicos e de transmissão mecânica em seu núcleo. Os sistemas elétricos são responsáveis ​​pela partida do motor, pela iluminação do veículo e pelo fornecimento dos controles fundamentais. Esse sistema é chamado de "arquitetura central de baixa tensão 12/24 V".

Máquinas Elétricas: A AEE é o principal sistema de energia e controle, responsável pela distribuição, conversão e gerenciamento de energia. Essa configuração pode ser chamada de "arquitetura de controle de domínio paralelo de alta e baixa tensão".

3.2 Transformação de Energia e Potência: A transição da energia química para a energia elétrica

Máquinas movidas a combustível: A energia que impulsiona o veículo é derivada do óleo diesel, que é então convertido pelo motor em energia mecânica. Uma pequena quantidade de energia elétrica também é gerada durante esse processo, produzida pelo gerador.

Máquinas Elétricas: O fornecimento de energia é obtido por meio de baterias de alta tensão (300-800 V), que alimentam motores por meio de inversores e facilitam a operação de sistemas de baixa tensão por meio da utilização de conversores CC-CC. A transição do gerenciamento de energia de um modelo linear para um modelo em rede é caracterizada pela coordenação dos processos de tomada de decisão pela Unidade de Controle do Veículo (VCU) e pelo Sistema de Gerenciamento de Baterias (BMS).

3.3 A seção a seguir examinará a evolução das redes de comunicação. A progressão da simplicidade para a complexidade é um aspecto fundamental deste assunto.

Veículos equipados com motores de combustão interna. O primeiro e o segundo barramentos CAN em consideração apresentam um número limitado de nós, variando de 10 a 20, e se distinguem por um projeto estrutural relativamente simples.

Máquinas Elétricas: O sistema em discussão requer duas conexões adicionais: uma CAN de Energia (para conectar BMS, MCU e VCU) e uma CAN de Carregamento (para conectar OBC e estação de carregamento). À medida que as topologias de rede se tornam cada vez mais complexas, o papel dos gateways se torna primordial. A progressão subsequente deverá ser em direção a redes CAN FD e backbone Ethernet.

3.4 A terceira seção deste texto trata da evolução dos sensores e atuadores. Este artigo descreve a transição do controle mecânico para o eletrônico.

Motores de combustão interna: Os sensores são normalmente orientados para a medição de parâmetros mecânicos, como rotações por minuto (RPM), pressão e temperatura. Em contraste, os atuadores utilizam principalmente válvulas solenoides.

Veículos Elétricos: A integração de diversos sensores elétricos (por exemplo, tensão, corrente, isolamento, resolver) é imprescindível. Além disso, a incorporação de atuadores, que retêm válvulas solenoides hidráulicas, é essencial para a subsequente adição de motores de acionamento e inversores. Este desenvolvimento representa uma mudança de paradigma do "acionamento hidráulico" convencional para o "acionamento elétrico" contemporâneo.

4. Caminho evolutivo: O presente artigo define os três estágios do desenvolvimento da AEA no campo de máquinas elétricas de construção.

Propõe-se que a evolução da AEA possa ser dividida em três etapas, aproveitando a experiência com veículos de passageiros e, ao mesmo tempo, levando em conta as características das máquinas de construção.

Fase Um: Arquitetura Distribuída (Eletrificação 1.0)

O foco principal desta fase é abordar o desafio da transição de um estado de ausência para um estado de presença. A integração dos três sistemas elétricos com a arquitetura mecânica tradicional é alcançada por meio de enxerto, um processo que preserva a independência de diversas ECUs, incluindo o BMS, o MCU e o VCU. A coexistência de sistemas de alta e baixa tensão dá origem a topologias de rede cada vez mais complexas, mantendo uma separação distinta dos domínios funcionais. Este desenvolvimento representa o estado atual da maioria das máquinas elétricas de construção.

A segunda fase do projeto trata da Arquitetura Centralizada de Domínio (Eletrificação 2.0) , cujo objetivo é passar de um estado satisfatório para um superior. A etapa subsequente de integração funcional é marcada pela introdução do conceito de controladores de domínio.

Domínio do trem de força: O sistema integra funções de VCU, MCU e BMS em um controlador de domínio de trem de força unificado, coordenando assim a distribuição de energia, solicitações de torque e estratégias de gerenciamento térmico.

Domínio do chassi: O veículo em discussão integra funções controladas eletricamente, incluindo condução, direção e frenagem.

Domínio da cabine inteligente: a integração de painéis de instrumentos, telas de controle central e processadores telemáticos (T-Box) serve para melhorar a interação homem-máquina.

Controladores de Área: A integração de funções da carroceria, como iluminação, limpadores de para-brisa e interfaces de E/S, é um processo que está começando a emergir. A dissociação entre hardware e software facilita o estabelecimento de uma base para atualizações OTA.

Fase três : O objetivo da fase de Controle Centralizado + Zonal (Eletrificação 3.0) é facilitar a transição de um estado de desempenho meramente adequado para um de qualidade excepcional, alcançando assim o conceito de "hardware definido por software".

A Unidade Central de Computação (HPC) é composta por uma ou duas HPCs de alto desempenho, que gerenciam coletivamente todo o poder computacional central. Essas máquinas operam em um sistema operacional unificado, um recurso que facilita a implantação flexível de funções e a colaboração entre domínios.

Controladores de zona: Foi demonstrado que várias ZCUs funcionam como "pontes", estabelecendo assim uma conexão entre o computador central e interfaces físicas, incluindo sensores, atuadores e sistemas de distribuição de energia.

Backbone Ethernet: A Ethernet de alta velocidade pode ser considerada o sistema nervoso central, conectando HPCs com ZCUs para facilitar a transmissão rápida de volumes substanciais de dados.

Somente agora as máquinas de construção são capazes de iteração funcional contínua e otimização de desempenho constante, abrindo caminho para direção autônoma de alto nível e operações totalmente não tripuladas.

5. Desafios Significativos: Obstáculos Encontrados no Caminho para o Futuro

A evolução das máquinas elétricas de construção (EEA) está longe de ser simples, enfrentando desafios ainda mais rigorosos do que aqueles enfrentados pelos veículos de passageiros.

5.1. Condições extremas de operação

A confiabilidade dos componentes eletrônicos, a vedação dos conectores e a durabilidade do chicote elétrico são significativamente impactadas por condições operacionais extremas. Essas condições incluem vibração e choque severos, flutuações extremas de temperatura e exposição a diversos contaminantes (água, poeira, lama, óleo). Soluções para esse problema incluem classificações de proteção IP mais altas (por exemplo, IP6K/IP9K), designs resistentes à vibração, componentes com ampla faixa de temperatura e sistemas complexos de gerenciamento térmico.

5.2. Desafios de compatibilidade eletromagnética extremamente complexos

Inversores de alta potência (IGBT/MOSFET) caracterizam-se por operar em frequências de comutação elevadas, uma propriedade que os torna fontes potentes de interferência eletromagnética. Ao mesmo tempo, os sinais transmitidos por sensores analógicos dispersos pela carroceria do veículo são notavelmente fracos e vulneráveis ​​a interferências. Isso exige a implementação de medidas rigorosas de blindagem, como blindagem de camada dupla para linhas de alta tensão, a instalação de filtros, a otimização das regras de roteamento (isolamento de alta/baixa tensão) e o projeto de sistemas de aterramento.

5.3. Desafios de Layout do Sistema e Liberação de Segurança

A questão dos espaços compactos deve acomodar sistemas de alta tensão, sistemas de baixa tensão, linhas hidráulicas e estruturas mecânicas, mantendo rigorosamente as distâncias de fuga e as distâncias de isolamento elétrico entre os componentes de alta tensão para evitar falhas. Essa questão é abordada por meio de uma abordagem multifacetada que abrange projeto integrado "multi-em-um", simulação CFD e estrita adesão às normas de segurança.

5.4. Alto desempenho em tempo real e desafios de segurança funcional

Em cenários operacionais, é fundamental que a latência do comando de controle seja mantida em milissegundos, pois interrupções na comunicação podem resultar em acidentes graves. Isso exige redes com alto desempenho em tempo real (CAN FD), alta confiabilidade (design redundante) e conformidade com os requisitos de segurança funcional ASIL-D.

6. Conclusão

A evolução das arquiteturas eletrônicas/elétricas em máquinas de construção elétricas representa uma revolução profunda, passando de uma "espinha dorsal hidráulica" para uma "rede neural digital". A entidade em questão está progredindo ao longo de uma trajetória de um modelo "distribuído" para um "centrado em domínio" e, por fim, para um modelo "centralizado", com o objetivo final de se tornar uma entidade inteligente, definida por software e em evolução sustentável.

Apesar dos desafios que se avizinham, é inevitável que essa transformação remodele todo o setor, proporcionando eficiência, limpeza, inteligência e segurança sem precedentes. Para Fabricantes de Equipamentos Originais (OEMs) e fornecedores, é fundamental compreender de forma abrangente os princípios fundamentais dessa evolução arquitetônica e dominar suas tecnologias fundamentais, se quiserem tomar a iniciativa com sucesso nesta era transformadora e assumir um papel de liderança na construção do futuro.