Carro elétrico: eficiente sob o capô
Se fosse apenas uma questão de estética, um e-motor dificilmente poderia competir com a elegância de um seis cilindros. Uma vez que é basicamente composto por uma caixa compacta, ímãs, fio de cobre e um eixo – o potencial para um grande espetáculo é bastante limitado. Os motores elétricos devem impressionar com seus valores internos. E têm muitos deles.
“Uma das grandes vantagens do motor elétrico é a eficiência com que converte energia em força de acionamento mecânico. Especialmente no tráfego da cidade, ele supera um motor de combustão ”, diz Andreas Richter, engenheiro do DEKRA Competence Center for Electromobility. Do ponto de vista tecnológico, não há motivo para não usar o carro elétrico para pegar pãezinhos na padaria. Ao contrário de um motor de combustão, o carro elétrico não tem problemas com partidas a frio e desgaste. Como Andreas Richter explica, os motores de carros elétricos têm um alto grau de eficiência, que pode ultrapassar 90%. A maior parte dessa energia é usada para dirigir. O equilíbrio para motores de combustão interna é muito pior – na cidade, a eficiência pode ser inferior a dez por cento, enquanto atinge eficiências na faixa de 25 a 40 por cento em cargas médias a altas.
Seja carro elétrico ou máquina de lavar – a estrutura básica do motor é a mesma
Os motores elétricos são uma tecnologia que foi experimentada e testada em uma ampla gama de aplicações por muitas décadas. Portanto, o projeto básico do motor de um carro elétrico dificilmente difere do de uma máquina de lavar. Os motores de corrente alternada (CA) são usados na maioria dos casos, ou mais precisamente: motores trifásicos. Isso significa que a corrente alternada flui para a carcaça do motor por meio de três condutores (fases) separados. No interior estão os dois protagonistas do drive, que, por meio da interação de forças elétricas e magnéticas, transformam a energia acionada da bateria em força mecânica para propulsão. O estator é basicamente a saliência dentro da carcaça e é responsável pela potência e eficiência. O rotor, por sua vez, é montado para rotação dentro do estator cilíndrico e está firmemente conectado a um eixo de aço para transmissão de força.
A interação de forças magnéticas faz com que o eixo do motor gire
Durante a operação elétrica, a corrente alternada flui para as bobinas no estator através das conexões na carcaça do motor. Estes então geram continuamente um novo campo magnético em curtos intervalos periódicos. No entanto, os campos magnéticos nas várias bobinas são sempre gerados com um deslocamento temporal um do outro – isso desenvolve o chamado campo rotativo dentro do estator. Mas como ocorre o movimento rotativo do rotor? Isso depende do design do motor elétrico.
Em motores síncronos, os rotores geram seu próprio campo magnético. Ímãs com campo magnético permanente são usados - isso é conhecido como motor síncrono de ímã permanente (PSM). No entanto, o rotor também pode ser transformado em um eletroímã com o auxílio de corrente contínua – o sistema é então chamado de motor síncrono com excitação CC (FSM). Em ambos os casos, os campos magnéticos do estator e rotor interagem por atração e repulsão de seus pólos. Isso produz um movimento rotativo no qual o rotor gira sincronizadamente com o campo rotativo do estator.
Um princípio diferente é aplicado em motores assíncronos. Aqui, o rotor geralmente não tem ímãs nem sua própria fonte de alimentação. Em vez disso, o campo rotativo do estator induz uma corrente nas barras condutoras do rotor, que então criam um campo magnético. Nesse sistema, o rotor sempre gira um pouco mais devagar do que o campo de rotação do estator – daí o nome de motor ‘assíncrono’. Este design é considerado particularmente robusto e pontua com alta estabilidade em altas velocidades. Os motores síncronos, por outro lado, oferecem vantagens em termos de densidade de potência e eficiência.
A eletrônica de potência assume o gerenciamento da fonte de alimentação
Um desafio para os desenvolvedores de motores é combinar o veículo e a unidade de força com o perfil de direção desejado. Isso pode ser mais fácil para um carro compacto do que para um SUV de uso muito mais amplo. Em ambos os casos, entretanto, a eletrônica de potência é uma peça chave no conceito de acionamento. Eles são a entidade responsável por gerenciar o fornecimento de energia do motor, entre outras coisas. Se o veículo deve acelerar, por exemplo, os eletrônicos de potência determinam quanta energia adicional é necessária com base na posição do pedal do acelerador. Como a bateria emite apenas corrente contínua, os componentes eletrônicos devem fornecer a corrente na forma, intensidade e frequência corretas. Já no caso da recuperação, assume a tarefa de converter a energia de frenagem em energia elétrica de corrente contínua e alimentá-la na bateria. Além disso, a eletrônica de potência fica de olho na velocidade e na potência do motor o tempo todo. Eles conhecem o estado das células da bateria e se comunicam com as estações de carregamento durante o carregamento.
É bom saber: os motores elétricos também podem operar no modo gerador. Nesse caso, eles convertem energia mecânica em energia elétrica durante a desaceleração, carregando a bateria. Essa chamada recuperação aumenta o alcance do carro elétrico. Isso é particularmente eficiente onde a frenagem é necessária com mais frequência – por exemplo, em rotas com declives ou no tráfego da cidade com mudanças frequentes de velocidade. Motoristas experientes podem atingir até 20 por cento a mais de alcance usando habilmente a recuperação, estima o especialista da DEKRA Andreas Richter.
A capacidade de desempenho do motor elétrico torna-se evidente na estrada
As pessoas que usam um e-car como um segundo carro ou um veículo urbano puro podem se contentar com menos energia. Mesmo com um motor nominalmente fraco, é possível dirigir rapidamente no trânsito da cidade. “Isso ocorre porque o torque máximo disponível de um motor elétrico está quase totalmente disponível ao acelerar a partir de uma paralisação,” diz Andreas Richter. Em estradas secundárias ou rodovias, entretanto, o ímpeto de um motor menor, mais cedo ou mais tarde, perde força. Eles então operam com seu torque máximo em toda a faixa de rotação disponível – mas apenas até atingirem a potência máxima. Neste ponto, o poder de aceleração diminui significativamente. Porém, as pessoas precisam de potência se valorizarem altas velocidades máximas ou um sprint intermediário dinâmico nas ultrapassagens, o que é possível com maior potência do motor elétrico. Se houvesse uma fórmula divertida para o carro elétrico, seria:
É bom saber: Desempenho motor eficiente em todas as situações de condução. Teoricamente, um motor elétrico também pode demonstrar sua capacidade total de desempenho ao reverter ou se recuperar. No entanto, como explica o especialista em DEKRA Richter, os fabricantes projetam as curvas características de seus motores elétricos de forma que um comportamento de direção seguro seja sempre possível e a tecnologia possa ser usada com pouco desgaste. Por esta razão, a potência do motor elétrico geralmente é bastante reduzida imediatamente durante a reversão e recuperação . O uso eficiente de energia do motor elétrico também é fácil de conseguir na rodovia. Tudo o que é necessário é reduzir a velocidade – isso reduz a resistência do ar, que aumenta quadraticamente com a velocidade.
A transmissão é um jogador importante no trem de força
Para garantir que a força mecânica chegue às rodas da melhor maneira possível, a transmissão funciona como um terceiro jogador ao lado do motor e da eletrônica de potência. Ao contrário de um motor de combustão interna, não há necessidade de mudança de marcha para manter o torque e a potência na faixa de velocidade ideal em todos os momentos, uma vez que os motores elétricos fornecem sua potência em uma ampla faixa de velocidade. No entanto, os carros elétricos também têm uma transmissão a bordo. Isso ocorre porque o eixo do rotor pode girar em velocidades extremamente altas. O eixo de transmissão para transmitir a força mecânica às rodas, entretanto, tem que girar muito mais devagar. Para conseguir isso, os fabricantes de automóveis geralmente contam com uma transmissão de estágio único que reduz a velocidade. No entanto, há margem de manobra no design da transmissão. O Porsche Taycan, por exemplo, tem uma transmissão de duas velocidades que permite aceleração máxima e altas velocidades máximas. Os sedãs de alto desempenho também podem se beneficiar de uma transmissão de duas velocidades. O fornecedor automotivo ZF acredita que isso poderia melhorar a eficiência do acionamento elétrico em cinco por cento. Na prática, isso significaria um aumento no alcance. No entanto, também seria concebível renunciar ao intervalo e instalar uma bateria menor no veículo. Mas e a marcha à ré de um acionador elétrico? Os engenheiros ficam felizes em dispensar isso. Basta mudar o sentido de rotação do motor elétrico para fazer a reversão, afinal. isso significaria um aumento no alcance. No entanto, também seria concebível renunciar ao intervalo e instalar uma bateria menor no veículo. Mas e a marcha à ré de um acionador elétrico? Os engenheiros ficam felizes em dispensar isso. Basta mudar o sentido de rotação do motor elétrico para fazer a reversão, afinal. isso significaria um aumento no alcance. No entanto, também seria concebível renunciar ao intervalo e instalar uma bateria menor no veículo. Mas e a marcha à ré de um acionador elétrico? Os engenheiros ficam felizes em dispensar isso. Basta mudar o sentido de rotação do motor elétrico para fazer a reversão, afinal.
É bom saber: a transmissão está se tornando cada vez mais importante no e-car. A Volkswagen equipa o ID3 com uma transmissão de estágio único. Como o carro elétrico atinge uma velocidade máxima de 160 quilômetros por hora a um máximo de 16.000 rotações por minuto, uma solução era necessária para atingir uma relação de transmissão para velocidade lenta para as rotações do eixo de transmissão ao volante. Para economizar espaço de instalação, os engenheiros usam duas engrenagens menores em vez de uma grande roda dentada, que funcionam como uma relação de engrenagem intermediária. Os fornecedores automotivos também estão apresentando seus próprios desenvolvimentos. A Bosch, por exemplo, acaba de unir forças com a Eindhoven University of Technology para desenvolver uma transmissão automática que ajusta continuamente a velocidade e o torque do e-motor à velocidade do veículo.
Matéria traduzida da série produzida pela DEKRA Solutions. Link conteúdo original:
https://www.dekra-solutions.com/2021/06/electric-car-efficient-under-the-hood/?lang=en