Engenharia de Energia e Arquiteturas de Dados em Tecnologias de Veículos Elétricos

Costuma-se dizer que a próxima geração de mobilidade - oferecendo meios de transporte mais seguros, mais ecológicos e mais conectados, com veículos movidos a dois tipos de combustível: eletricidade e dados. No entanto, enquanto a segurança, a conveniência e o desejo de conectividade onipresente estão impulsionando um número cada vez maior de aplicativos baseados em nuvem/sensor dependentes de dados em veículos, muitos consumidores, apesar de suas preocupações ambientais, ainda estão um pouco relutantes em adotar totalmente a tecnologia da mobilidade elétrica.

As principais preocupações para muitos potenciais condutores de veículos elétricos (EV) são o alcance e a conveniência de carregamento - em termos de tempo de carregamento e disponibilidade de pontos de carregamento. Nesse sentido, a conectividade e os componentes do conector desde a entrada de carregamento, passando pela bateria do veículo elétrico até o motor elétrico, desempenham um papel vital no carregamento rápido de alta potência seguro e confiável da faixa adicional que ajuda a aliviar as preocupações do consumidor.

Atualmente, o carregamento de um veículo nos pontos de carregamento rápido de corrente contínua (CC), geralmente encontrados em postos de combustível de rodovias, pode levar até uma hora, dependendo da potência de carregamento e da capacidade da bateria, para adicionar cerca de 300 km de autonomia. No entanto, o objetivo do setor é adicionar a mesma quantidade de autonomia em cerca de 10 minutos, o que é comparável ao comprimento ou uma parada de reabastecimento para um veículo com motor de combustão interna (ICE).

Esse HPC (High-Power Charging – Carregamento de alta potência) pode envolver 350 kW de potência de carregamento de CC em correntes de até 500 A, que representa o estado de carga mais alto para todo o sistema elétrico em um veículo elétrico. Mesmo a aceleração forte, quando o motorista exige muita potência, não resulta na mesma magnitude de corrente média.

Este nível de corrente contínua causa altos níveis de perda de calor devido à resistência elétrica inerente de todos os componentes (conectores, cabos) dentro do trem de força do veículo elétrico e é ainda mais exasperado quando o veículo não está em movimento e há ausência de resfriamento convectivo natural.

Portanto, para evitar sobrecarga / superaquecimento, a dissipação de calor passiva ou ativa ou a capacidade de facilitar uma redução controlada da corrente de carga são requisitos essenciais do projeto e dimensionamento de todos os componentes condutores elétricos. Isto significa que o sistema elétrico completo, conectando o ponto de carregamento à bateria do veículo, deve ser projetado e dimensionado mecanicamente, eletricamente e termicamente.

Um grande desafio é que quanto maior a corrente, maior terá que ser a seção transversal do cabo necessária para transportar a energia no mesmo nível de tensão sem superaquecimento. Dentro do veículo, isso é principalmente uma questão de peso e espaço disponível.

Por exemplo, há uma diferença considerável, em termos de custo, peso e volume, se uma seção transversal de 50 mm² ou um condutor de seção transversal de 95 mm² entre a entrada e a bateria será suficiente. Se o HPC for uma proposta realista, o superdimensionamento do cabo e de todos os outros componentes elétricos deve ser evitado.

Até o momento, o projeto de componentes elétricos não refletiu realmente os perfis de carga de corrente que mudam dinamicamente entre altos picos e baixos de condução ou os requisitos de HPC.

Os padrões existentes são baseados em pontos de carga estática originalmente usados para o projeto de relés e fusíveis (interruptores), que são determinados por métodos estatísticos refletindo a frequência em que ocorrem e sua importância. Isso leva a valores de carga atuais que representam condições estáticas, com um design de componente de interconexão elétrica correspondente que não reflete a realidade, muitas vezes incluindo margens de segurança de até cerca de 20 por cento.

Para facilitar uma carga de pico de 350 kW de potência de carregamento e mais, requer uma abordagem diferente para projetar os componentes elétricos. Na TE, estamos desenvolvendo uma nova metodologia que determina dinamicamente o aumento de temperatura causado pelos componentes e a dissipação de calor no sistema em todos os momentos.

Com base na simulação térmica sistêmica e quase real, torna possível examinar o projeto do componente antecipadamente e prever seu desempenho durante vários modos de operação ao longo de toda a sua vida útil. Isso facilita a operação segura a longo prazo, bem como um design que permite uma usabilidade aprimorada. A simulação térmica baseada em modelo fornece uma base verificável para perfis de carga futuros que facilitam uma prova de segurança, confiabilidade e durabilidade de todos os componentes de interconexão ao longo do caminho de alta tensão/alta corrente.

Da mesma forma que o motor de combustão interna (ICE) foi considerado o coração do veículo motorizado tradicional, a bateria é considerada o coração dos veículos elétricos e muitos dos mesmos desafios de design se aplicam.

Durante todos os modos de operação do veículo, a energia deve fluir com segurança para dentro e para fora da bateria. Portanto, a conexão da bateria principal e, em certos casos, as conexões entre os módulos de célula, devem ser capazes de transportar correntes de até 600 A por vários minutos durante um ciclo de carga de alta potência e níveis de pico significativamente mais altos durante forte aceleração.

As conexões do módulo de bateria também constituem a camada física para proteção da bateria (desligamento por superaquecimento), gerenciamento da bateria (estados de carga, por exemplo, estado de carga SoC) e balanceamento de célula (equalização de tensão de carga entre células com diferentes níveis de SoC). Para garantir essas operações, cada módulo de bateria individual deve apresentar conexões elétricas à prova de falhas.

Isso requer sistemas de contato altamente integrados, que não só devem ser capazes de suportar a funcionalidade total durante toda a vida útil do veículo (por exemplo, 300.000 km / 10 anos), mas também são robustos o suficiente para evitar que a vibração e o estresse de temperatura afetem adversamente as propriedades mecânicas e elétricas dos contatos. Além disso, os contatos também devem ser totalmente à prova de toque para eliminar possíveis riscos de alta tensão e alta potência para garantir a segurança dos fabricantes e do pessoal de serviço.

A título de exemplo, um objetivo principal do projeto do sistema de conectores de módulo BCON + da TE era lidar com correntes constantes de 400 A (com picos curtos de até 1.200 A) e tensões de até 1.000 V, e operar de forma confiável em baterias típicas temperaturas ambientes de -40 °C a +80 °C. O principal desafio foi minimizar a resistência de contato em cada ponto de contato para garantir o mínimo possível de perdas de energia e estresse térmico, bem como obter confiabilidade ao longo da vida por meio de alta resistência à vibração de acordo com as especificações globais do OEM.

Um sistema de gerenciamento de bateria é o sistema eletrônico que gerencia o carregamento e descarregamento da bateria das células internas. Ele protege a bateria de operar fora de seus limites seguros monitorando os sinais de temperatura e tensão dos módulos de célula, bem como os sinais de corrente no nível do pacote e transmitindo-os aos elementos que equilibram ou controlam o ambiente do módulo de célula.

O sistema de gerenciamento de bateria é fundamental para o desempenho e a segurança ideais da bateria, o que significa que ela deve operar com um alto grau de precisão e confiabilidade e deve ser de construção altamente robusta. No entanto, também deve ser compacto e leve, adicionando o menor volume possível à geometria geral da bateria.

A conectividade também é um facilitador essencial do gerenciamento de bateria. É necessário transferir os sinais para o BMC (Battery Management Controller – Controlador de gerenciamento de bateria), onde eles são processados e enviados para os CMCs (Cell Management Controllers – Controladores de gerenciamento de célula) para equilibrar as células e permitir um fluxo controlado de energia, por exemplo, durante o carregamento.

Os componentes eletrônicos do BMS requerem sistemas de conectores altamente compactos e flexíveis. Dado que a relação entre células de bateria e controladores de célula varia de acordo com os requisitos de projeto da bateria, como capacidade e demandas de energia do veículo, os sistemas de conectores devem ter flexibilidade para acomodar várias permutações de configuração de conectores. Os conectores também devem ter flexibilidade para suportar diferentes tipos de cabos, incluindo cabos flat/circuitos flexíveis que podem ser roteados em torno de geometrias de bateria compactas e complexas.

Além disso, o sistema de conectores requer uma distância segura de “tolerância” e folga entre os pinos, garantindo que não haja nenhum risco de falha por curtos-circuitos causados por poluição por poeira ou arco voltaico. Como os módulos de bateria são fornecidos como componentes selados, os fabricantes devem ter certeza de que todos os conectores internos atendem às especificações estritas de robustez e confiabilidade de nível automotivo.

Compreendendo as soluções de conectividade para a próxima geração de mobilidade.  As camadas físicas de energia e rede de dados, incluindo cabos e conectores, desempenharão um papel fundamental como a espinha dorsal da próxima geração de veículos conectados mais seguros e ecológicos que os consumidores desejam possuir, dirigir ou nos quais querem ser conduzidos.

Isso significa que as redes de conectividade de dados de baixa tensão e os sistemas de acionamento de alta tensão (AT) devem funcionar em paralelo, de forma ultraconfiável e segura em arquiteturas centralizadas (“inteligentes”) cada vez mais integradas.

As tecnologias de interconexão, comutação e sensores serão os principais facilitadores das inovações que tornarão isso uma realidade. Com seu extenso portfólio de tecnologia líder e experiência nessas áreas, estamos em uma posição ideal para trabalhar com empresas de tecnologia automotiva para cocriar as soluções de conectividade para a próxima geração de mobilidade.