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A evolução dos sistemas elétricos nos automóveis

Nos últimos 20 anos, o ritmo de evolução dos motores aumentou consideravelmente, visto que os movidos a combustão interna foram desafiados pela introdução dos elétricos, tanto em veículos híbridos como em puramente elétricos. Nos próximos dez anos, esse crescimento tende a acelerar novamente, à medida em que a mobilidade sustentável se torna a “bola da vez”. O resultado disso é uma completa reformulação das arquiteturas dos veículos, plataformas, subsistemas, algoritmos e softwares que os controlam e até mesmo aspectos fundamentais como sistemas de fornecimento de energia.

Enquanto a tecnologia dos veículos evolui, o mesmo ocorre com o consumo do automóvel por energia elétrica. No passado, sistemas de 6V produziam energia suficiente para alimentar todos os acessórios: limpadores de para-brisas, setas indicadoras de mudança de direção e luzes. Isso se deu até o início da década de 1960, quando rádios, desembaçadores e outros equipamentos com consumo maior de energia colocaram novamente o sistema no limite, levando à introdução de um sistema de 12V. Ainda, com os avanços das tecnologias embarcadas, o sistema 12V também entrou em cheque. Assim, depois de um breve flerte com a tecnologia 42V, no início dos anos 2000, a energia deu um passo acima: dessa vez para 48V.

Por que a pressão por mudanças?

Em primeiro lugar, há a necessidade de reduzir o impacto no meio ambiente. Os legisladores estão introduzindo novos limites mais rigorosos de emissão de gases do efeito estufa. 

Outro ponto é que os motoristas estão exigindo muito mais de seus automóveis. Por exemplo, o painel analógico com um velocímetro mecânico e um contador de rotações foram substituídos por um sistema de informação e entretenimento multimídia, conectado à Internet e habilitado para aplicativos. O que antes era um distribuidor e carburador mecânico agora é uma sofisticada unidade de controle de motor com múltiplos sensores e atuadores, injetando combustível em pressões altíssimas. E, onde um sensor de estacionamento já existia nas versões de alto conteúdo, os carros de hoje incluem cada vez mais sistemas avançados de assistência ao motorista, como controle de velocidade adaptativo, manutenção de faixa de rolamento, freio de emergência, monitoramento de ponto cego e muito mais. Tudo isso aumenta, e muito, a energia elétrica que flui por todo o veículo.

A transição para os elétricos

A tecnologia oferecida nos veículos puramente elétricos, embora ofereça menor emissão, ainda está aquém com relação a autonomia, custo e conveniência dos veículos a combustão interna. A solução em curto prazo para as montadoras tradicionais, portanto, é dar início ao longo caminho da eletrificação, mais precisamente, iniciar a hibridização dos automóveis. Isso proporcionará considerável ​​redução de emissões e melhorias na economia de combustível, sem que as montadoras precisem dar o salto para os veículos puramente elétricos.

Esse processo começa com medidas simples, como transferir subsistemas tradicionalmente acionados por motor para acionamento elétrico, e termina com sistemas elétricos e ICE intimamente interconectados e codependentes, para fornecer energia de tração para o veículo e energia elétrica para seus subsistemas. Direções assistidas e ar condicionado se enquadram aqui. O maior fluxo de energia elétrica necessário para habilitar essa estratégia está forçando uma mudança dos sistemas elétricos atuais de veículos de 12V e 24V DC para 48V DC. A abordagem está sendo promovida pelas cinco grandes montadoras alemãs Audi, BMW, Mercedes, Porsche e VW.

Por que a escolha de sistemas 48V?

  • Atingem até 70% dos benefícios de um híbrido completo a 30% do custo;
  • Permitem motores e geradores elétricos mais potentes;
  • A instalação nesse nível mantém o sistema elétrico abaixo do limiar de segurança de 60 volts, considerado alta tensão, do qual os cabos de energia devem ser laranja e necessitam conectores especiais, que custam até 10 vezes mais.
  • Estes sistemas mais poderosos funcionam em paralelo aos eletrônicos tradicionais de 12 volts, ao invés de substituí-los por completo. Essa estratégia de dupla voltagem evita a necessidade de redesenhar componentes simples e confiáveis, como os motores que abrem as janelas e ajustam os assentos.

Desde o surgimento do Toyota Prius no mercado em meados de 1997, surgiu uma nova classificação de veículos híbridos.

Micro-híbrido

Começando pelo mais simples, um micro-híbrido usa um motor/gerador de 12V para ajudar o veículo a dar partida novamente durante momentos de paradas rápidas. Essa forma de híbrido pode desligar o ICE quando está ocioso e reiniciá-lo quando necessário. Quando os motoristas tiram os pés do acelerador, o motor/gerador ajuda a desacelerar o veículo, transformando parte de sua energia cinética em energia de 12V para recarregar a bateria a bordo. As estimativas da indústria sugerem que essa abordagem pode reduzir as emissões de CO2 em até 4%. Os investimentos em hardware – principalmente cabos elétricos e conectores – são mínimos.

Híbridos leves

Um ‘híbrido leve’ vai um passo além, adicionando uma bateria de 48V e oferecendo um recurso a mais: seu motor/gerador é potente o suficiente para fornecer torque adicional ao trem de força, por exemplo, quando um veículo está manobrando, ou um aumento de torque, em uma aceleração brusca. Há duas vantagens dessa estratégia de ‘fill and boost’. A primeira é que o torque do motor elétrico está disponível instantaneamente, melhorando a capacidade de resposta. A segunda é que ele pode ajudar a manter o ICE próximo ao seu ponto de operação mais eficiente.

Híbrido completo

 O mais familiar, o híbrido completo, cujo gerador tem energia suficiente para impulsionar o veículo por conta própria, precisa de uma bateria maior e mais pesada, para armazenar a energia necessária. Essa abordagem pode reduzir as emissões em até 30%. Um híbrido plug-in, que usa energia da rede para carregar suas baterias de tração, pode reduzir as emissões em até 75%, enquanto um veículo puramente elétrico não gera nenhuma emissão (pelo menos do próprio veículo).

A indústria automotiva construiu um vasto ecossistema de peças e experiência em torno da energia de 12V DC que não será descartado na mudança para os sistemas de 48V. Isso significa que quase todos os veículos híbridos terão que operar sistemas de energia e bateria duplos para atender às necessidades do ecossistema 12V e os tipos de equipamentos emergentes de 48V.

Cada forma de híbrido também precisará de componentes eletrônicos adicionais. Um micro-híbrido de 12V provavelmente precisará de um sistema melhor de estabilização de tensão, além de um gerenciador de bateria dupla. Os híbridos leves precisarão de conversores de 48V DC/DC para gerenciar o fluxo de energia entre os sistemas de 48V e 12V, bem como acionadores de partida/geradores de 48V acionados por correia. Híbridos completos, híbridos plug-in e EVs funcionarão suas baterias de tração em tensões muito mais altas e, portanto, será necessária uma família inteira de sistemas eletrônicos de energia de alta tensão, bem como motores/geradores de alta tensão de acionamento por eixo para realmente alimentar os veículos.

Desafios (ou oportunidades)

O desafio ou oportunidade para montadoras, construtores de subsistemas e fornecedores de componentes é que a mudança para 48V está criando um amplo escopo de inovação no setor.

Uma das oportunidades mais importantes para os fabricantes de veículos na mudança para os híbridos é aumentar o conteúdo de software para que os automóveis possam ser lançados no mercado mais rapidamente, adaptados quando em campo, e até se tornar plataformas para novos fluxos de receita, por meio da prestação de serviços a bordo. Ao contrário dos sistemas elétricos anteriores, o novo sistema elétrico duplo de 12/48V precisa atender não apenas às demandas dos sistemas de conforto dos passageiros e necessidades do veículo, como também deve suportar as funções de assistência ao motorista e condução autônoma em suas missões mais críticas.

Distribuição anual de veículos de acordo com voltagem (2015-2022):

Murilo Briganti
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