От жгутов проводов до нейронных сетей: в настоящем исследовании рассматриваются эволюция и тенденции электрической архитектуры в контексте электрификации строительной техники.

Цель достижения глобальной углеродной нейтральности привела к стремительному развитию электрификации строительной техники. Эта трансформация выходит далеко за рамки простой замены дизельных двигателей на аккумуляторные и электродвигатели; она фундаментально меняет электрическую/электронную архитектуру (ЭЭА) строительной техники. В данной статье представлен всесторонний анализ развития электростроительной техники (ЭЭА), включающий подробное изучение её движущих сил, сравнительный анализ с развитием легковых автомобилей, анализ различий между ней и топливными системами, а также углубленный анализ её основных проблем и перспектив развития.

I. Движущие силы: необходимость трансформации.

Эволюция ЕЕА строительной техники — это не теоретическая концепция, а неизбежный результат, обусловленный множеством факторов.

1.1 Надежная экологическая политика и нормативная база

В глобальном масштабе наблюдается значительное ужесточение норм выбросов (например, ЕС, IV национальный стандарт Китая) и целевых показателей по сокращению выбросов углерода, что приводит к существенному увеличению затрат на соблюдение требований для традиционной дизельной техники. Электрификация признана наиболее эффективным решением, а эффективное ЕЭЗ служит его краеугольным камнем.

1.2 Модель совокупной стоимости владения (TCO): пример электростроительного оборудования

Предварительный анализ финансовых последствий использования электротехнического строительного оборудования выявил ряд преимуществ с точки зрения совокупной стоимости владения (TCO). Хотя первоначальные финансовые затраты на приобретение такого оборудования выше, чем на дизельные аналоги, эксплуатационные расходы значительно ниже, при этом электроэнергия является более экономичным вариантом. Кроме того, существенно сокращаются расходы на техническое обслуживание, что исключает необходимость замены масла, фильтров и других подобных расходов. Расширенная система управления энергопотреблением (EEA) оптимизирует управление энергопотреблением, тем самым повышая эффективность и сокращая срок окупаемости инвестиций.

1.3 Основные требования для повышения интеллекта и производительности

Интеллектуальные сценарии, такие как автоматизированное строительство, удалённое управление и координация автопарка, требуют надёжных возможностей сбора, обработки данных и принятия решений. Очевидно, что традиционные распределённые архитектуры не способны удовлетворить требования к высокой пропускной способности и низкой задержке связи. Следовательно, централизованные EEA являются неизбежным выбором.

1.4 Обязательные требования к функциональной безопасности и кибербезопасности

Внедрение высоковольтных систем порождает новые угрозы безопасности, что обуславливает необходимость соблюдения установленных стандартов функциональной безопасности (ISO 26262) и кибербезопасности (ISO 21434). Новые проекты EEA должны изначально учитывать принципы безопасности.

2. Были сделаны следующие выводы: Эволюционный путь легкового автомобиля ЕЭА

Развитие ЕЕА в строительной технике во многом опирается на опыт разработки легковых транспортных средств и следует по траектории, которая во многом схожа, но имеет некоторые отличия.

2.1 Распределённая архитектура (Era 1.0): каждая функция управляется независимым ЭБУ, соединённым шиной CAN/LIN. Высокая степень взаимосвязи систем в конструкции усложняла процесс модернизации.

2.2 Архитектура с централизованным управлением доменами (Era 2.0): ЭБУ объединены по функциональным доменам (например, силовой агрегат, кузов, кабина, автономное вождение) и управляются контроллером домена (DCU). Разделение аппаратных и программных компонентов открыло путь к внедрению беспроводных (OTA) обновлений.

2. 3. Архитектура централизованного зонального управления (Era 3.0) представляет собой систему, сочетающую централизованные и зональные методы управления. Небольшое количество высокопроизводительных центральных вычислительных блоков (HPC) выполняет функцию ядра, выполняя все ресурсоёмкие задачи. Несколько зональных контроллеров (ZCU) размещаются на периферии и отвечают за распределение питания, функции шлюза данных и интерфейсы ввода-вывода. Это формирует аппаратную основу для «программно-определяемого транспортного средства».

Развитие строительной техники было относительно статичным: в настоящее время основная масса техники переходит от эпохи 1.0 к эпохе 2.0. Однако суровые условия эксплуатации таких транспортных средств требуют гораздо более высокой надежности и производительности в режиме реального времени, чем от легкового транспорта.

3. Подрывная трансформация: В настоящем документе представлено тщательное сравнение относительных достоинств ЕЕА в области топливной и электрической строительной техники.

ЭЭА в топливных и электрических строительных машинах демонстрирует фундаментальные различия, причем последняя эволюционирует из вспомогательной подсистемы в основную нервно-мышечную систему всей машины.

3.1 Эволюция в архитектурной философии: переход от вспомогательной роли к основной позиции.

Машины, работающие на топливе: ЭЭУ функционирует как вспомогательная система, в основе которой лежат гидравлика и механическая трансмиссия. Электрические системы отвечают за запуск двигателя, освещение транспортного средства и обеспечение основных функций управления. Такая система называется «низковольтной центральной архитектурой 12/24 В».

Электрооборудование: ЭЭУ — это основная система электропитания и управления, отвечающая за распределение, преобразование и управление энергией. Эту конфигурацию можно обозначить как «архитектуру параллельного управления доменами высокого и низкого напряжения».

3.2 Преобразование энергии и мощности: переход от химической к электрической энергии

Техника, работающая на топливе: энергия, приводящая транспортное средство в движение, получается из дизельного топлива, которое затем преобразуется двигателем в механическую энергию. При этом также вырабатывается небольшое количество электроэнергии, вырабатываемой генератором.

Электрооборудование: Энергоснабжение осуществляется от высоковольтных аккумуляторных батарей (300–800 В), которые питают двигатели через инверторы и обеспечивают работу низковольтных систем благодаря использованию DC/DC-преобразователей. Переход управления энергопотреблением от линейной к сетевой модели характеризуется координацией процессов принятия решений блоком управления транспортным средством (VCU) и системой управления аккумуляторными батареями (BMS).

3.3 В следующем разделе мы рассмотрим эволюцию сетей связи. Переход от простоты к сложности является основополагающим аспектом этой темы.

Автомобили, оснащенные двигателями внутреннего сгорания. Первая и вторая рассматриваемые CAN-шины имеют ограниченное количество узлов (от 10 до 20) и отличаются относительно простой структурой.

Электрооборудование: Для рассматриваемой системы требуются два дополнительных соединения: одно Power CAN (для подключения BMS, MCU, VCU) и одно Charging CAN (для подключения OBC и зарядной станции). По мере усложнения топологий сетей роль шлюзов становится первостепенной. Ожидается дальнейшее развитие в сторону магистральных сетей CAN FD и Ethernet.

3.4 Третий раздел книги посвящен эволюции датчиков и исполнительных механизмов. В статье описывается переход от механического к электронному управлению.

Двигатели внутреннего сгорания: датчики обычно предназначены для измерения механических параметров, таких как частота вращения (об/мин), давление и температура. В отличие от них, приводы в основном используют электромагнитные клапаны.

Электромобили: Интеграция различных электрических датчиков (например, напряжения, тока, изоляции, резольвера) крайне важна. Более того, внедрение исполнительных механизмов, в которых установлены гидравлические электромагнитные клапаны, необходимо для последующего подключения приводных двигателей и инверторов. Это развитие знаменует собой смену парадигмы от традиционного «гидравлического привода» к современному «электрическому приводу».

4. Эволюционный путь: В настоящей статье излагаются три этапа развития ЕЭП в области электрической строительной техники.

Предлагается разделить эволюцию ЕЕА на три этапа, опираясь на опыт легковых транспортных средств и учитывая характеристики строительной техники.

Фаза первая: Распределенная архитектура (Электрификация 1.0)

Основная задача этого этапа — решить задачу перехода от состояния отсутствия к состоянию присутствия. Интеграция трёх электрических систем с традиционной механической архитектурой достигается путём прививки — процесса, сохраняющего независимость множества электронных блоков управления (ЭБУ), включая BMS, MCU и VCU. Сосуществование высоковольтных и низковольтных систем приводит к появлению всё более сложных топологий сетей, сохраняя при этом чёткое разделение функциональных областей. Это развитие отражает текущее состояние дел для большинства электротехнических строительных машин.

Второй этап проекта связан с доменно-централизованной архитектурой (Electrification 2.0) , целью которой является переход от удовлетворительного состояния к превосходному. Последующий этап функциональной интеграции отмечен введением концепции контроллеров домена.

Домен силовой установки: система объединяет функции VCU, MCU и BMS в единый контроллер домена силовой установки, тем самым координируя распределение энергии, запросы крутящего момента и стратегии управления температурой.

Область шасси: рассматриваемое транспортное средство объединяет в себе электрически управляемые функции, включая вождение, рулевое управление и торможение.

Домен «Умная кабина»: интеграция блоков приборов, центральных экранов управления и телематических процессоров (T-Box) служит для улучшения взаимодействия человека и машины.

Контроллеры зон: Интеграция функций кузова, таких как освещение, стеклоочистители и интерфейсы ввода-вывода, — это процесс, который только начинает развиваться. Разделение аппаратного и программного обеспечения облегчает создание основы для беспроводных обновлений.

Третий этап : Целью этапа централизованного + зонального управления (Электрификация 3.0) является содействие переходу от состояния просто адекватной производительности к состоянию исключительного качества, тем самым реализуя концепцию «программно-определяемого оборудования».

Центральный вычислительный блок (ЦВБ) состоит из одного или двух высокопроизводительных ЦВБ, которые совместно управляют всеми вычислительными мощностями ядра. Эти машины работают под управлением единой операционной системы, что обеспечивает гибкое развертывание функций и междоменное взаимодействие.

Зональные контроллеры: было продемонстрировано, что несколько ZCU функционируют как «мосты», устанавливая тем самым соединение между центральным компьютером и физическими интерфейсами, включая датчики, исполнительные механизмы и системы распределения электроэнергии.

Магистраль Ethernet: высокоскоростной Ethernet можно рассматривать как центральную нервную систему, соединяющую HPC с ZCU для обеспечения быстрой передачи значительных объемов данных.

Только сейчас строительная техника способна к непрерывной функциональной итерации и постоянной оптимизации производительности, открывая путь к высокоуровневому автономному вождению и полностью беспилотным операциям.

5. Серьёзные проблемы: препятствия, возникающие на пути к будущему

Развитие электрической строительной техники (ЭСТ) было далеко не простым и сталкивалось с проблемами даже более серьезными, чем те, с которыми сталкивался легковой транспорт.

5.1 Экстремальные условия эксплуатации

Надежность электронных компонентов, герметичность разъемов и долговечность жгутов проводов существенно влияют экстремальные условия эксплуатации. К ним относятся сильная вибрация и удары, резкие перепады температур и воздействие различных загрязняющих веществ (вода, пыль, грязь, масло). Решения этой проблемы включают повышение степени защиты IP (например, IP6K/IP9K), виброустойчивые конструкции, компоненты с широким диапазоном рабочих температур и сложные системы терморегулирования.

5.2. Чрезвычайно сложные проблемы электромагнитной совместимости

Мощные инверторы (IGBT/MOSFET) характеризуются работой на повышенных частотах коммутации, что делает их мощными источниками электромагнитных помех. В то же время сигналы, передаваемые аналоговыми датчиками, распределёнными по всему кузову транспортного средства, отличаются особой слабостью и уязвимы для помех. Это требует принятия серьёзных мер экранирования, таких как двухслойное экранирование высоковольтных линий, установка фильтров, оптимизация правил прокладки (высоко- и низковольтная изоляция) и проектирование систем заземления.

5.3. Проблемы компоновки системы и обеспечения безопасности

Проблема компактного размещения высоковольтных и низковольтных систем, гидравлических линий и механических конструкций требует строгого соблюдения электрических зазоров и путей утечки между высоковольтными компонентами для предотвращения пробоев. Эта проблема решается комплексным подходом, включающим интегрированное проектирование «много в одном», вычислительную гидродинамику и строгое соблюдение стандартов безопасности.

5.4. Проблемы высокой производительности в реальном времени и функциональной безопасности

В эксплуатационных сценариях крайне важно поддерживать задержку команд управления на уровне миллисекунд, поскольку прерывания связи могут привести к серьёзным авариям. Для этого необходимы сети с высокой производительностью в режиме реального времени (CAN FD), высокой надёжностью (резервирование) и соответствием требованиям функциональной безопасности ASIL-D.

6. Заключение

Эволюция электронно-электрических архитектур в электростроительной технике знаменует собой глубокую революцию, переходя от «гидравлической магистрали» к «цифровой нейронной сети». Рассматриваемая структура развивается по траектории от «распределенной» к «предметно-ориентированной» и затем к «централизованной» модели, стремясь к конечной цели — стать программно-управляемой, устойчиво развивающейся интеллектуальной структурой.

Несмотря на предстоящие трудности, эта трансформация неизбежно изменит всю отрасль, обеспечив беспрецедентную эффективность, чистоту, интеллектуальность и безопасность. Для производителей оригинального оборудования (OEM) и поставщиков крайне важно всесторонне понять фундаментальные принципы этой архитектурной эволюции и овладеть её основополагающими технологиями, если они хотят успешно перехватить инициативу в эту эпоху перемен и взять на себя лидирующую роль в формировании будущего.