O Volkswagen (VW) ID.3 hatchback, lançado em 2019, é considerado um dos veículos elétricos (VEs) mais vendidos na Europa e abriu um capítulo interessante no mercado de VEs que verá muitos mais modelos em 2030. O ID.3 é o primeiro veículo totalmente elétrico da VW lançado no "ID". família e representa “uma nova era de mobilidade elétrica para todos”.
O ID.3 destaca a reviravolta iniciada pela empresa alemã para a transição de motores de combustão para EVs a bateria em todas as suas marcas, enquanto reforça sua estratégia de plataforma de fabricação. O ID. classe de veículos é chamada de terceiro capítulo principal da VW, seguindo o muito bem sucedido e icônico Beetle and Golf. Por trás do desenvolvimento, é claro, está a necessidade de cumprir as regulamentações globais de emissões.
O Grupo Volkswagen mudou para uma estratégia de plataforma modular há vários anos que permite à empresa compartilhar módulos e sistemas entre marcas e modelos. Uma das mais recentes é a plataforma modular flexível MBQ, lançada em 2012, que foi projetada para compartilhar o maior número possível de componentes entre as várias marcas, deixando ainda um amplo espaço para personalização e compatibilidade com uma ampla gama de tipos de motores. Também se adapta às dimensões dos diferentes modelos, graças à possibilidade de variar a distância entre eixos (distância entre as rodas dianteiras e traseiras) e a largura da plataforma. O sistema de plataforma visa veículos transversais, com motor dianteiro e com tração dianteira.
Esta filosofia de fabricação foi transferida para a produção de veículos totalmente elétricos com a nova plataforma MEB (modular electric drive matrix), atendendo aos requisitos de design para e-mobilidade. Alguns dos primeiros veículos elétricos construídos na plataforma MEB incluem o ID.3 para o mercado europeu e o crossover ID.4, que será vendido nos Estados Unidos e na Ásia.
Figura 1: Plataformas MEB e MBQ da Volkswagen. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
A plataforma MEB é uma arquitetura escalável que foi criada exclusivamente para EVs e irá sustentar todos os modelos EV de outras marcas do Grupo VW. Também foi licenciado para uso pela Ford. Este acordo recentemente confirmado é crucial para ajudar a VW a recuperar seus enormes custos de desenvolvimento e permitirá que mantenha os preços baixos por meio de economias de escala.
Um dos principais fatores que afetam a adoção de VEs é o custo. Os consumidores não querem pagar um preço premium. Os elementos de design compartilhados na estratégia de plataforma da VW oferecem vantagens importantes, incluindo poder de compra e desenvolvimento mais rápido, resultando em custos mais baixos ao mesmo tempo em que oferece um rico conjunto de soluções técnicas, todas necessárias para impulsionar a adoção de VEs.
Em uma entrevista ao EE Times, Romain Fraux, CEO da System Plus Consulting, discutiu as principais inovações de hardware implementadas no compacto e econômico ID.3 EV. Com base nas criações modulares, o Grupo Volkswagen criou vários modelos de diferentes marcas que compartilham a mesma base.
Do Volkswagen Golf ao SEAT Leon ao Audi A3 Sportback e Škoda Octavia e outros, a plataforma MBQ é o que o diferencia, e agora, esta filosofia de construção foi transferida para a produção de carros eléctricos pelo Grupo Teutónico com o novo Plataforma MEB, especialmente para as versões ID.3 e ID.4, disse Fraux. Objectivo ambicioso, é um desafio comercial que explora uma tecnologia projetado para reduzir custos e criar produtos sempre atualizados, acrescentou.
O maior benefício de uma plataforma modular é que ela permite que certas peças sejam padronizadas para que possam ser usadas para todas as variantes de modelo possíveis, disse Fraux. “Estamos falando de peças estruturais, elementos de suporte e também os módulos que compõem o piso propriamente dito e, acima de tudo, a mecânica, os motores, as caixas de câmbio, a transmissão e os equipamentos.”
A plataforma MEB proporciona flexibilidade nos designs de carroceria e interior que são decisivos para o caráter estilístico do veículo, como a distância entre eixos. Ele também oferece um sistema de bateria escalável com várias possibilidades para o layout da bateria. A bateria pode ter uma estrutura de 5 × 2 células ou 6 × 2 células; nem toda célula precisa necessariamente conter uma bateria módulo.
Fraux examinou dois sistemas principais no ID.3, o primeiro modelo a ser construído na plataforma MEB: os sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e eletrificação, conforme mostrado em Figura 2.
“Para ADAS, analisamos a assistência frontal com a câmera de última geração da Valeo e o radar de médio e curto alcance da Continental”, disse ele. “O sistema de alerta de colisão dianteira [incluído na assistência dianteira] pode ajudar a monitorar o tráfego e alertá-lo acústica e visualmente sobre uma potencial colisão traseira com o veículo em movimento. Para ADAS, existe o Hella RS4 para monitoramento de ponto cego, assistência para mudança de faixa e alerta de tráfego cruzado traseiro. ”
“Para eletrificação, analisamos o inversor, o carregador de bordo e o sistema de gerenciamento de bateria [BMS]”, acrescentou.
Figura 2: Principais ADAS e sistemas de eletrificação analisados. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
Soluções ADAS
O ID.3 está equipado com uma ampla gama de sistemas de assistência ao motorista. Considerado um ADAS Nível 2, o ID.3 potencializa os mesmos fornecedores e, na maioria dos casos, os mesmos componentes do Golf 8, previamente avaliado pela System Plus Consulting, construído na plataforma MBQ.
Não houve surpresas nos sistemas de câmeras, disse Fraux. “Podemos ver que o design dos cartões é um pouco diferente, mas a escolha dos componentes é semelhante.”
O sistema de aviso de colisão dianteira (incluído na assistência dianteira) pode ajudar a monitorar o tráfego e alertar o motorista acústica e visualmente sobre uma potencial colisão traseira com o veículo em movimento. Se sentir que uma colisão é iminente, a frenagem de emergência autônoma (incluída na assistência dianteira) pode apoiar o motorista com maior pressão de frenagem ou, se o motorista não reagir, pode aplicar os freios automaticamente.
O recurso de monitoramento de pedestres (incluído na assistência frontal) pode avisar sobre pedestres passando na frente do veículo e, em certas circunstâncias, pode frear automaticamente para ajudar a mitigar o resultado de uma colisão com um pedestre se o motorista não responder aos avisos
Usando a mesma câmera do Golf 8, o assistente de câmera frontal consiste na placa de câmera frontal de última geração da Valeo com Intel / Mobileye EyeQ4M, OmniVision OV10642 CIS 1.3 megapixel (MP) sensore o microcontrolador (MCU) de 850 bits da série RH1 / P32H-C da Renesas.
O sensor de 1.3 MP oferece suporte a uma matriz ativa de 1280 × 1080 pixels e saída de imagem RAW de até 60 quadros por segundo. A série RH850 / P1H-C apresenta 32 bits com CPUs dual-core, tecnologia de segurança, flash de código, flash de dados, módulos de RAM, controladores DMA, muitas interfaces de comunicação que são usadas em aplicações automotivas, conversores A / D, unidades de temporizador, etc.
Figura 3: placa da câmera frontal do Valeo. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
O radar frontal apresenta a tecnologia de 77 GHz da Continental de quinta geração com um design de duas placas. Consiste no MMIC 3Tx4Rx de chip único do NXP em um WLCSP e MCU de 32 bits. Uma placa é usada para controle de computação e a outra para detecção.
Figura 4: Sistema de radar de assistência frontal da Continental. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
Semelhante ao Golf 8, o Hella RS4 possui monitoramento de ponto cego, assistente de mudança de faixa e alerta de tráfego cruzado traseiro. A placa consiste no TC26x TriCore MCU da Infineon e no STRADA431 MMIC da STMicroelectronics. O STRADA431 é um transceptor de chip único para radar automotivo que cobre a banda de frequência de 24 a 24.25 GHz para ser compatível com as aplicações da banda ISM.
Sistemas de eletrificação
O sistema de powertrain de um EV envolve várias soluções, desde o carregador de bordo até a bateria e seu sistema de gerenciamento. A bateria atual determina o custo geral, e isso é determinado principalmente pelo custo por célula e seu invólucro de proteção mecânica.
As quatro partes principais dos sistemas elétricos do ID.3 são o conversor DC / DC da Bosch, o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) da Huber Automotive, o inversor da Valeo-Siemens e o carregador de bordo da Kostal (Figura 5) O ID.3 é equipado com um motor montado bem na frente do eixo traseiro e uma transmissão de velocidade única e usa um motor elétrico de ímã permanente sem escovas APP 310. A abreviatura “APP” significa que o motor e a transmissão estão dispostos paralelamente aos eixos, enquanto o número representa o torque máximo, capaz de gerar 310 Nm. Este número dá uma ideia de aceleração.
Figura 5: Principais sistemas de eletrificação. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
No coração do ID.3 está a bateria. Estão disponíveis três tamanhos de bateria: 45 kWh (com alcance de até 330 km), 58 kWh (com alcance de até 420 km) e a maior, 77 kWh com alcance de 550 km. Este último possui 12 módulos, cada um dos quais consiste em 24 células de íon-lítio. Opera a 408 V e também pode ser recarregado com corrente contínua de até 125 kW.
A bateria possui um sistema de refrigeração líquida dedicado para gerenciamento ideal da temperatura e é alojada em um invólucro de alumínio que também possui uma estrutura de absorção de choque integrada para manter a integridade dos componentes internos.
O inversor, conforme mostrado em Figura 6, foi projetado pela Valeo Siemens e usa tecnologia da Infineon IGBT e tecnologias MCU com CPLD da Intel. O IGBT da Infineon é FS820R08A6P2B (820 A/750 V): um módulo de seis pacotes otimizado para inversores de 150 kW. O módulo de potência implementa a geração de chip IGBT EDT2, que é um design de célula de parada de campo de micropadrão automotivo. O chipset possui densidade de corrente de referência combinada com curto-circuitoo circuito robustez e maior bloqueio Voltagem para operação confiável do inversor sob condições ambientais adversas.
Figura 6: Desmontagem do inversor. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
O inversor consiste em três estágios. O primeiro é o estágio de entrada que emite uma tensão CC da bateria e consiste em vários capacitores e filtros EMI. A segunda etapa é a conversão DC/DC usando um link DC capacitor, que filtra e suaviza a tensão CC nos trilhos do barramento CC. O último estágio inicia a conversão por meio de comutação de alta frequência e entrega a potência invertida à carga (motor elétrico).
O link CC deve equilibrar a potência instantânea flutuante que resulta como uma “ondulação” gerada pelos estágios IGBT. Uma solução pode usar diferentes tecnologias de capacitores, como eletrolítico de alumínio, filme e cerâmica. As ondulações nos nós do link CC afetam o desempenho porque cada capacitor tem uma certa quantidade de impedância (e auto-indutância). O custo deste inversor, como apontou Fraux, é de cerca de US $ 335, principalmente devido aos componentes eletrônicos. Os IGBTs e MCUs da Infineon respondem por quase 30% do custo total do inversor. (Figura 7).
Figura 7: Diagrama de blocos do inversor. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
O carregador de bordo é fabricado pela Kostal na China, com dimensões de 480 × 313 × 102 mm e peso de 10.48 kg (Figura 8) A escolha do hardware foi direcionada ao MCU da Renesas e ao IGBT / da Infineonmosfet, conforme mostrado no diagrama de blocos em Figura 9.
Figura 8: Desmontagem do carregador integrado. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
Figura 9: Diagrama de blocos do carregador integrado. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
As baterias montadas em EVs são compostas por vários módulos de células conectados em série e em paralelo. O circuito eletrônico necessário para o gerenciamento dos módulos de células é denominado sistema de gerenciamento de bateria. Um BMS inclui um ou mais estágios de conversão de energia e um sistema integrado baseado em MCU para lidar com todos os aspectos relacionados ao subsistema de energia. Durante um processo de carregamento ou descarregamento de bateria EV, é obrigatório monitorar o status de cada célula pertencente à bateria. O BMS da ID.3 consiste em quatro escravos e um mestre com soluções da STMicroelectronics e NXP, conforme mostrado em Figura 10.
Figura 10: NXP é o principal fornecedor do BMS. Clique na imagem acima para ampliar (Fonte: System Plus Consulting)
O BMS gerencia todo o array de células de lítio (single cells ou baterias inteiras), determinando uma área de operação segura, ou seja, em que a bateria garanta o melhor desempenho técnico e energético. O BMS é, na prática, um sistema eletrônico para o controle completo de todas as funções de diagnóstico e segurança para o gerenciamento da alta tensão a bordo do veículo e o balanceamento da carga elétrica.
Com a crescente adoção de VEs, o impacto no setor de BMS será considerável, já que VEs são alimentados por dezenas ou centenas de células. Qualquer má gestão pode causar enormes problemas elétricos. Um BMS otimiza o desempenho do carro elétrico e garante a segurança da bateria.
O artigo original postado na publicação irmã EE Times.
Existem muitas, muitas propostas de terminologia alternativa para “senhor / escravo”, nenhuma delas amplamente aceita. O IEEE costuma ser usado para determinar a terminologia do setor; a organização está em processo de fazê-lo. Por enquanto, dependendo de um novo padrão ou de um consenso emergente, o EE Times continua a empregar a terminologia padrão. Leitura: É hora do IEEE se aposentar 'Mestre / Escravo'