Veículos elétricos (e-mobilidade) é talvez um dos desafios mais significativos que as empresas de tecnologia e os consumidores tiveram que enfrentar nos últimos anos. Embora haja uma necessidade crescente de encontrar sistemas ecológicos que possam revolucionar a forma como nos movemos, há também a necessidade de garantir que as novas tecnologias verdes sejam o mais eficientes e eficazes possível em termos de preço e desempenho.
Os OEMs de veículos precisam de cumprir normas de emissão de CO2 cada vez mais rigorosas, enquanto aumentam o desempenho dos veículos para se manterem competitivos. Este desafio significativo é enfrentado pela eletrificação em veículos puros elétricos (EVs), veículos híbridos elétricos (HEVs) e veículos com motor de combustão interna (ICEs). A adição de baterias de alta tensão, como as de 48V, 400V e 800V, para satisfazer as crescentes exigências de potência, por sua vez, aumentou a complexidade das arquitecturas de fornecimento de energia e colocou novas exigências em termos de tamanho e eficiência
Sistemas de veículos híbridos-electricos (MHEV) são a porta de entrada para a electrificação. Também identificados como propulsão híbrida leve, eles irão contribuir para o crescimento exponencial dos modelos híbridos. O sistema MHEV é capaz de recuperar a energia do veículo durante a travagem e fornece energia durante o arranque do veículo, reduzindo assim o consumo de gás e as emissões de CO2.
Uma segunda abordagem de electrificação para os modelos HEV envolve um motor eléctrico que trabalha em conjunto com o ICE, permitindo ao veículo viajar 100% em modo eléctrico durante alguns quilómetros. Outra alternativa popular é o veículo híbrido eléctrico plug-in (PHEV), onde a bateria pode ser recarregada pela rede, e o alcance a zero emissões aumenta para cerca de 50 quilómetros. Neste caso, a electrificação é decididamente superior às tecnologias MHEV e híbridas – como são os custos de aquisição – com dezenas de modelos PHEV a chegarem ao mercado.
Veículos eléctricos de matérias primas (BEVs) carecem de um ICE e, em vez disso, são alimentados pela combinação de inversor mais motor eléctrico. Os BEVs são recarregáveis através da rede e durante a regeneração sob frenagem. Entre os veículos eléctricos, encontramos também os veículos eléctricos de gama alargada (EREVs) com um pequeno motor de combustão interna utilizado exclusivamente como gerador de corrente para recarregar as baterias quando o nível está baixo. A última categoria é representada pelos veículos eléctricos a células de combustível (FCEVs), que são alimentados por células de hidrogénio-combustível.
A solução poderia estar não só em novas tecnologias de armazenamento de energia, como baterias de estado sólido ou células de combustível de hidrogénio, mas também na melhoria da eficiência do automóvel através da redução do peso e de novas arquitecturas eléctricas.
Desafios atuais da eletrificação
“Os desafios atuais com a eletrificação são os seguintes: manter os custos baixos, cumprir metas agressivas de emissão de CO2, gerenciar mudanças nos requisitos de energia, alimentar cargas de 12V, fornecer veículos mais leves e de maior desempenho, aumentar os níveis de energia, tempo de carregamento mais rápido e gerenciar voltagens mais altas de sistemas de baterias de 800V e 400V”, disse Patrick Wadden VP Global de Desenvolvimento de Negócios Automotivos da Vicor Corporation.
Os fabricantes de automóveis, caminhões, ônibus e motocicletas estão eletrificando rapidamente seus veículos para aumentar a eficiência do combustível dos motores de combustão interna e reduzir as emissões de CO2. Existem muitas opções de electrificação, mas a maioria dos fabricantes está a optar por um sistema híbrido de 48 volts em vez de um trem de força híbrido completo. No sistema híbrido leve, uma bateria de 48V é adicionada juntamente com a tradicional bateria de 12V.
“Há uma bateria de 800 ou 400 volts no veículo. Vicor tira os 800 ou 400 volts da bateria e converte a energia para 48 volts para alimentar cargas como o turbo elétrico, pára-brisas com cabeça e bombas de resfriamento. Os sistemas que são alimentados com a bateria de 800 ou 400 volts têm a opção de eliminar completamente a bateria de 48V e criar uma bateria virtual de 48V. Esta eliminação da bateria de 48V oferece ao OEM uma maior densidade de potência, redução de peso e tamanho, tudo isto permitindo uma maior autonomia do veículo. Estas soluções são escaláveis, portanto, endereçando o nível de entrada para veículos de luxo”, disse Wadden.
48V tecnologia distribui eficientemente a potência
48V tecnologia aumenta a capacidade de potência em 4x (P = V – I), que pode ser usado para cargas mais pesadas, tais como o ar condicionado e conversor catalítico na partida. Para aumentar o desempenho do veículo, o sistema de 48V pode alimentar um motor híbrido que é utilizado para uma aceleração mais rápida e suave, poupando combustível.
“Ultrapassar a hesitação em modificar a rede de fornecimento de energia de 12 volts (PDN), há muito tempo optimizada em termos de custos, pode ser o maior desafio”, disse Wadden. Ele continuou, “para a indústria automotiva, um sistema híbrido de 48V de média tensão fornece uma maneira de introduzir rapidamente novos veículos com menores emissões, maior alcance e maior quilometragem de gás e abordagem prática”. Ele também oferece novas e excitantes opções de design para maior desempenho e características, ao mesmo tempo em que reduz as emissões de CO2″
A grande maioria dos conversores centralizados DC-DC utilizados são volumosos e pesados, uma vez que utilizam antigas topologias de comutação PWM de baixa frequência. Uma arquitetura mais atualizada para levar em consideração é o fornecimento descentralizado de energia (Figura 4) usando módulos de potência.
“Os benefícios de usar um modelo descentralizado podem ser realizados ainda mais ao nível do sistema com cabeamento mais leve ao redor do veículo: há alguns benefícios agradáveis de colocar o conversor mais próximo da carga em termos de minimizar a impedância e resistência, alguns dos métodos de resfriamento podem ser simplificados e, em alguns casos, pode-se eliminar uma placa fria ou resfriamento líquido. A opção de implementar segurança funcional com mais opções, e flexibilidade entra em jogo”, disse Wadden.
Esta arquitetura de fornecimento de energia utiliza conversores de 48V a 12V menores e de menor potência. A arquitetura de energia descentralizada oferece benefícios significativos de gerenciamento térmico em um sistema de fornecimento de energia.
“Vamos olhar para um diagrama de alto nível de um sistema centralizado versus um sistema descentralizado”. À esquerda temos uma tradicional caixa prateada de 3kW, tradicionalmente com uma entrada de 400V para uma saída de 12V alimentando cargas de 12V no carro. À direita está um exemplo de como 48V é utilizado em torno do carro: o conversor é colocado no ponto de carga, o modelo descentralizado elimina a grande caixa prateada e espalha a distribuição de energia conforme necessário em torno do veículo. Isto também permite a implementação do ASIL FUSA com suprimentos redundantes. À medida que os requisitos de potência aumentam, torna-se cada vez mais difícil gerir e continuar a adicionar estas caixas prateadas tradicionais mais antigas não é uma opção”, disse Wadden.
Novos PDNs de 48V devem suportar cargas de 12V herdadas com maiores requisitos de potência e novos sistemas de accionamento, direcção e travagem de alta potência utilizando cabos. Fornecer mais potência de 48V com um número crescente de cargas requer módulos de alta densidade em comparação com soluções maiores, mais volumosas e discretas. Vicor oferece vários módulos para fornecimento de energia a partir de 48V. Estes dispositivos incluem soluções de conversão de relação fixa e regulada que suportam cargas de 48V e 12V em modo buck ou boost. Estes conversores podem ser contidos em uma única caixa ou distribuídos por todo o veículo usando uma PDN menor e mais leve de 48V.
O Vicor NBM é usado em uma arquitetura descentralizada sempre que os OEMs precisam colocar estágios de conversão de voltagem em torno do veículo mais próximo da carga e quer descendo de 48V para 12V ou aumentando de 12V para 48V.
Com a utilização de estações de carregamento de 400V e 800V, a compatibilidade do veículo com qualquer estação requer uma solução de conversão tão simples quanto possível, mas acima de tudo eficiente. O NBM6123 fornece 6,4kW de taxa fixa de conversão de 400V e 800V em um pacote de 61 x 23mm CM-ChiP, permitindo uma solução escalável, de alta eficiência e alta densidade para a compatibilidade entre as estações de carregamento à beira da estrada e diferentes veículos. A capacidade bidireccional das soluções Vicor permite que o mesmo módulo seja utilizado para a conversão gradual para cima ou para baixo. O NBM6123 também pode ser usado para fornecimento de energia ao veículo para ar condicionado durante o carregamento, minimizando o circuito de balanceamento da bateria.
Conclusão
O movimento em direção à eletrificação do veículo está tomando muitas formas hoje em dia e alimentá-los é complicado. Um veículo tem muitos sistemas diferentes e cada um pode ter diferentes requisitos de potência. Uma abordagem de potência modular é inerentemente mais flexível e escalável, capaz de enfrentar uma miríade destes desafios. As soluções de alto desempenho da Vicor são pequenas e leves, projetadas para atender a conversão de energia, carregamento e entrega para qualquer sistema.
Maurizio tem trabalhado no campo de pesquisa de ondas gravitacionais e em projetos de pesquisa espacial como engenheiro de design. Ele se pergunta às vezes se alguém lá em cima tem nos enviado mensagens que não recebemos ou não fomos capazes de decodificar. Maurizio é engenheiro eletrônico e é Ph.D. em Física. Maurizio gosta de escrever e contar histórias sobre tecnologia e eletrônica. Os seus principais interesses são Power, Automotive, IoT, Digital. Maurizio é atualmente editor-chefe da Power Electronics News e Correspondente Europeu do EE Times. Ele também supervisiona as discussões no EEWeb.com. Ele escreveu vários artigos técnicos e científicos, e um par de livros para a Springer sobre Colheita de Energia e Sistema de Aquisição e Controle de Dados.