Eletrificação de um movimento

A sociedade está exigindo alternativas mais limpas e silenciosas para motores a gasolina e diesel, e o setor do transporte está respondendo. Durante anos, cientistas e engenheiros estão desenvolvendo maneiras mais limpas de dirigir carros e caminhões. Combustíveis alternativos como etanol, biodiesel, gás natural, hidrogênio e propano foram desenvolvidos e usados para movimentar pessoas e mercadorias de um lugar para outro. E, embora não seja a única forma de combustível limpo, o futuro do transporte incluirá, sem dúvida, a propulsão elétrica. De uma curiosidade e uma raridade a uma realidade, os veículos elétricos (EVs) estão claramente no caminho para se tornar uma necessidade.

Na maioria dos ambientes urbanos, cada vez que você sai para cumprir tarefas simples, pode ver um carro elétrico conectado a uma estação de recarga pública.  Seja no shopping, perto de um hotel ou em um estacionamento público, é fácil ver que as estações de carregamento estão proliferando. Porém, o que estamos vendo hoje é claramente apenas o começo. Apenas 2% dos carros de hoje são elétricos plug-in, e ainda menos para caminhões e ônibus. Apenas uns 20 anos atrás, a nova indústria de EV teve um início rápido e uma parada aparentemente mais rápida. Mas muita coisa mudou desde então, e é seguro dizer que a propulsão elétrica veio para ficar.

Mas e os veículos destinados a aplicações de transporte industrial e comercial (ICT, industrial and commercial transportation)? Caminhões? Ônibus? Equipamentos de construção, fazendas e mineração? Esses setores estão em um caminho acelerado para reduzir o consumo de combustível e as emissões por meio da eletrificação, ao mesmo tempo em que aumentam a eficiência e a produtividade. Especialistas prevêem que até 2040, a maioria das formas de transporte aproveitará motores elétricos e/ou fontes mais limpas de combustível para atender aos padrões elevados.

A razão dessa previsão de 20 anos é complicada. O panorama consiste em diversas aplicações e casos de uso que podem ou não ser propícios à eletrificação veicular, dado o panorama atual. Pontilhando esse panorama estão os regulamentos; a legislação; e obstáculos sociais, econômicos e técnicos que aparentemente minam a viabilidade a cada momento. As infraestruturas de rede elétrica alinhadas às necessidades de transporte estão apenas começando a surgir. Globalmente, os centros urbanos estão propondo a proibição total de veículos movidos a combustíveis fósseis, mas ainda esperam que bens e serviços sejam entregues e fornecidos. A poluição sonora, especialmente em torno de escolas e hospitais, tornou-se uma preocupação cada vez maior. Esses fatores, juntamente com o aprimoramento e a diminuição dos custos da tecnologia da bateria, também estão ajudando a eletricidade a emergir como uma escolha além do centro da cidade, se dirigindo para setores rurais como mineração, construção e agricultura.

Casos de uso amplamente variáveis significam diversos caminhos de eletrificação para o transporte industrial e comercial. O panorama do ICT é bastante complexo. A transição de motores de combustão interna (ICE, internal combustion engines) "sujos" para os métodos de propulsão mais limpos não é tão simples quanto para carros de passeio, e a história do carro de passeio em si está longe de ser simples. Existem muitas aplicações e casos de uso diferentes, cada qual proporcionando diversas oportunidades com diferentes soluções (otimizadas). A transição para grupos motopropulsores eletrificados será diferente dependendo do trabalho do veículo. Os caminhões podem ser de longa distância, entregando mercadorias em todo o país, ou de curta distância, entregando mercadorias e serviços localmente e a curtas distâncias. Podem ser pesados, movendo cargas grandes e maciças, ou de serviço médio/leve, transportando mercadorias menores. Ônibus podem ser suburbanos, transportando pessoas a longas distâncias. Também podem ser ônibus urbanos ou escolares, movendo pessoas em rotas mais curtas e bem prescritas durante horários definidos de operação. Outras aplicações incluem equipamentos industriais usados para construção, mineração, agricultura e silvicultura. Essa grande variedade de casos de uso contribui para a complexidade da transição do ICE para o elétrico.

Há várias opções no caminho para a eletrificação. Não apenas os casos de uso para veículos pesados e equipamentos são complexos e variados: as possíveis arquiteturas de veículos em desenvolvimento para permitir um transporte mais limpo para essas aplicações também são. Os caminhões e máquinas de hoje comumente usam motores de combustão interna que controlam duas ou mais rodas por meio de uma transmissão.

Eles usam principalmente gasolina, diesel ou, em alguns casos, gás natural comprimido (CNG, compressed natural gas). Embora os fabricantes do setor tenham tomado medidas para melhorar o consumo de combustível e reduzir as emissões, incluindo a introdução de abordagens híbridas leves de 48 V, melhorias adicionais precisam ser feitas. A legislação e a ampliação das proibições do diesel estão ampliando a necessidade de redução das emissões. Como resultado, os fabricantes de veículos estão acelerando o desenvolvimento para excluir os motores de combustão interna e focando mais em arquiteturas que incorporam motores elétricos. As abordagens ativamente procuradas podem ser resumidas em quatro categorias:

Então, quais aplicações provavelmente adotarão em curto prazo uma das arquiteturas de EV? Dependendo do caso de aplicação e uso, o tempo de implantação varia. Os ônibus em Shenzhen, na China, por exemplo, são essencialmente 100% BEV hoje. Esses veículos foram capazes de fazer a mudança muito rapidamente.

A dominação duradoura da China. Pode levar 10 ou até 20 anos até que uma grande porcentagem de caminhões pesados, que transportam mercadorias entre continentes e países, possam fazer a transição para se tornarem totalmente elétricos, devido à falta de uma infraestrutura de carregamento com capacidade. Existem inúmeros fabricantes de equipamentos originais (OEMs) que têm caminhões elétricos de demonstração e alguns também anunciaram datas de produção para esses veículos nos próximos anos. Antes que uma ampla adoção seja possível, no entanto, a infraestrutura de carregamento ou reabastecimento de hidrogênio precisará estar mais amplamente disponível.

Os ônibus escolares, por outro lado, são utilizados em pequena porcentagem do dia e percorrem rotas bem definidas. Esse tipo de caso de uso facilita a implementação de infraestrutura de carregamento, seja plug-in, sem fio ou pantógrafo, tornando-os excelentes candidatos a passar rapidamente do diesel para o elétrico. Da mesma forma, o equipamento de construção pode ser movido para o local de trabalho e ficar ali por dias, enquanto o trabalho é concluído. Pode ser usado durante metade do dia e recarregado à noite, se um ponto de carregamento adequado for disponibilizado. Ou no caso da mineração com operação 24 horas por dia, uma abordagem totalmente elétrica pode operar continuamente sem a necessidade de limpar regularmente o ar.

Embora a habilitação de uma operação mais tranquila e um ambiente de trabalho mais seguro sejam desejáveis, os operadores de minas atingem uma economia substancial de custos com diesel, propano e eletricidade. Eles também estão obtendo ganhos de produtividade, com o aumento do tempo de atividade das soluções ICE elétricas versus tradicionais, que têm mais componentes e custos de manutenção mais altos. Seja um caminhão, ônibus ou um equipamento industrial, o caso de uso pode determinar o ritmo da adoção dos elétricos. Mas seja quando for que aconteça, seja totalmente elétrica ou híbrida, a eletrificação de veículos para o setor de ICT veio para ficar.

A conectividade para eletrificação do grupo motopropulsor no transporte industrial e comercial exige soluções confiáveis, robustas e inovadoras. Veículos e máquinas de transporte industrial e comercial estão se movendo para se tornarem totalmente elétricos. Muitos fatores estão conduzindo a sociedade no caminho desde os motores autônomos de propulsão por combustão interna até soluções híbridas leves e completas e até arquiteturas inteligentes de grupo motopropulsor totalmente eletrificado. E embora os desafios sociais existam e estejam sendo enfrentados, os desafios técnicos também devem ser superados. As aplicações de ICT exigem uma operação extremamente alta E impecável em ambientes muito severos, em que falhar não é uma opção. Garantir soluções robustas de conectividade para esse setor de missão crítica para atender à demanda mundial é uma obrigação.

A implantação exata e a evolução precisa de várias abordagens de arquitetura de grupo motopropulsor para veículos pesados não estão claras. Diferentes aplicações, regulamentos e desafios (sociais, econômicos e técnicos) contribuem para a falta de clareza dentro do setor. E embora o momento seja incerto, o que sabemos com um alto grau de certeza é se os veículos utilizam arquiteturas híbridas ou grupos motopropulsores totalmente elétricos.

Devemos ser capazes de gerenciar com sabedoria essa transferência de energia, lidando com problemas de calor, arco e segurança. Um dos desafios mais urgentes do setor é como melhorar a maneira de atender adequadamente aos requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) do cliente. Isso inclui imunidade à radiofrequência (RFI) e interferência eletromagnética (EMI) e minimização das emissões irradiadas. Isso é especialmente importante para sistemas de alta potência de CA devido às características de energia sinusoidal. Porém, também é verdade para os sistemas de CC, em que a blindagem de um cabo elétrico pode ter correntes induzidas até 35% do nível atual da linha de energia principal. Para um sistema de propulsão eletrificado, por exemplo, isso pode aumentar para várias centenas de amperes, dependendo da demanda de energia do sistema. Os fabricantes de veículos e sistemas precisarão de tecnologias inovadoras, econômicas e eficientes em pacotes para garantir a baixa resistência, com a corrosão minimizada entre a malha da blindagem e a linha de energia.

Soluções de conectividade para armazenamento de energia. Trata-se do alcance de um caminhão ou ônibus, do tempo de operação e dos requisitos de carga para um equipamento pesado. Todas essas são funções da quantidade de energia que pode ser armazenada nas baterias ou gerada por células de combustível. As baterias EV são bastante complexas, dadas as tensões operacionais e a corrente. Para complicar a situação, as baterias devem caber dentro das dimensões do veículo e operar com segurança em um ambiente extremamente severo. Graças à demanda por mais e mais dispositivos movidos a bateria e tecnologia de energia verde, há uma enorme quantidade de investimentos para melhorar drasticamente a tecnologia das baterias, a fim de armazenar eficientemente a energia necessária para operar veículos e equipamentos de maneira econômica. Os desafios são fazer isso com segurança, confiabilidade e em dimensões pequenas. Os sistemas de desconexão da bateria e dos serviços são uma grande parte da equação de segurança. Todos esses fatores geram a necessidade de sistemas de conexão e terminais flexíveis e altamente confiáveis nas soluções de conectividade célula a célula e módulo a módulo que permitem a escalabilidade da bateria. Para limitar o tamanho, subconjuntos com recursos integrados de sensoriamento estão em desenvolvimento para permitir o gerenciamento inteligente da bateria (estado de carga e estado de integridade). Fabricantes de veículos e equipamentos de ICT e fornecedores de sistemas exigem soluções de tecnologia de interconexão miniaturizadas e compatíveis. Isso permitirá a produção de embalagens pequenas e robustas para baterias de alta capacidade.

Soluções de conectividade para e-motores de propulsão/condução eletrificados e controlados. Maximizar o alcance da condução com uma única carga é fundamental. Já discutimos metade do desafio — a capacidade da bateria. A segunda e igualmente crítica parte da história é o funcionamento eficiente do veículo ou máquina. O controle inteligente do motor elétrico (não sobrecondução nem subcondução do e-motor) e a frenagem regenerativa (recuperando e armazenando energia durante um evento de desaceleração do veículo) são abordagens-chave para uma operação eficiente em termos de energia.

Com esse alto grau de controle, vem um alto grau de soluções eletrônicas integradas. Além disso, os fabricantes de veículos estão procurando maneiras de trazer cada vez mais dados externos para o veículo, a fim de ajudar na eficiência. Isso gera a necessidade de um novo conjunto de sensores para permitir o controle de EVs e garantir o gerenciamento e controle de energia otimizados. Com esse alto grau de controle vem um alto grau de soluções eletrônicas integradas — minimizar o tamanho (e peso) e ao mesmo tempo maximizar a flexibilidade do design para nossos clientes. Novas arquiteturas de EV precisam de um único componente que combine sensoriamento, processamento inteligente de dados e comunicação e conexão robusta em um único pacote. Essas arquiteturas precisam de atuadores e módulos de distribuição de energia robustos que podem ser usados para alternar várias cargas, controlando e minimizando o desperdício de energia. Também precisam de conectividade de dados de alta velocidade, tanto com fio quanto sem fio, permitindo comunicações de veículo a veículo e de veículo a infraestrutura e o controle inteligente do veículo.

Soluções de conectividade de alta tensão para ambientes severos, em que falhar não é uma opção. Um caminhão, ônibus ou escavadeira elétrico passará por condições de operação muito mais severas do que os carros elétricos. Chuva, neve, poeira, sol do deserto, frio ártico, estradas irregulares e outras condições adversas não devem interromper a missão em mãos. A comutação de alta tensão pode causar interferência eletromagnética (EMI), interrompendo comunicações e sinais nos circuitos de baixa tensão. Para um telefone ou laptop, a falha é um terrível inconveniente. A falha de um veículo ou de um equipamento pesado pode significar a perda de produtividade — resultando em um impacto nos negócios, ou no pior dos cenários, causando ferimentos graves ou morte. A operação segura é fundamental. O carregamento, manutenção e mitigação de acidentes devem ser feitos com segurança. A complexidade das arquiteturas de veículos elétricos e os princípios básicos de operação estão mais próximos de aviões, redes de energia e dispositivos eletrônicos de consumo do que com abordagens de veículos ICE. É fundamental que os setores de ICT trabalhem com empresas em outras verticais para trazer soluções novas e específicas às aplicações dos clientes. Cientistas de materiais e físicos de contato precisam colaborar para inovar em soluções viáveis e robustas para o mercado de EV em rápido crescimento, em que uma conexão de carregamento plug-in passará por milhares de ciclos de acoplamento ao longo de sua vida útil. As técnicas de teste e validação serão levadas a limites físicos e essenciais de segurança normalmente reservados para aplicações aeroespaciais e industriais. Complexidades adicionais da fabricação e dos serviços de campo geram a necessidade de desenvolver ferramentas e metodologias inovadoras.

Nossa equipe de engenheiros e cientistas se envolve em estreita colaboração com nossos clientes para garantir o sucesso, fornecendo soluções robustas adaptadas às necessidades específicas à arquitetura do veículo. Aproveitamos a profundidade e amplitude de nossa especialização em toda a empresa. Temos um forte portfólio de conectores, contatores, sensores, relés, unidades de distribuição de energia (PDUs, power distribution units) e soluções sem fio que atendem a vários setores. Nossos produtos de mobilidade híbrida e elétrica têm sido usados em veículos elétricos desde o início. Aproveitamos nossa pegada global para garantir que tenhamos capacidade de design e protótipo onde nossos clientes projetam seus produtos. Investimos extensivamente em P&D, procurando resolver os desafios do setor antes que se tornem problemas. Nossos engenheiros e cientistas estão ativamente envolvidos em vários comitês de padrões e consórcios do setor. Temos uma extensa rede de laboratórios de teste e validação em todo o mundo para garantir que possamos oferecer suporte às especificações de nossos clientes.