Se algo não pode continuar, não irá; suprir as vorazes demandas elétricas do automóvel a partir de uma bateria de 12 V é um exemplo dessa realidade.
As alterações de topologia afetam a fonte da bateria
Devido aos problemas de 12 V, muitos veículos ICE mais recentes e quase todos os EV/HEVs também possuem uma bateria de 48 V. Esta bateria atende cargas que são alimentadas com mais eficiência pela tensão mais alta, mantendo a fonte de 12 V para cargas de corrente mais baixas.
O conversor CC/CC de 48 V geralmente é projetado para permitir que a energia elétrica flua bidirecionalmente de uma bateria para outra conforme necessário, sob a direção de um sofisticado gerenciamento de bateria (BMS) para equilibrar de maneira ideal as fontes de energia versus a demanda de carga (Figura 1).
O gerenciamento da bateria tornou-se um sistema extremamente complicado, apesar de sua aparente simplicidade em um diagrama Bock de alto nível (Figura 2).
No entanto, não foram apenas as tensões básicas da bateria que aumentaram. As demandas do sistema levaram os projetistas a refazer a topologia básica de como a tensão e a energia da bateria são distribuídas e convertidas para os trilhos de baixa tensão para a eletrônica, ao mesmo tempo que oferecem tensões mais altas para cargas de maior potência, como motores acessórios, amplificadores de áudio no dezenas e centenas de watts e muito mais.
A capacidade de energia da bateria de um EV moderno pode variar de cerca de 30 kWh em um EV pequeno como o Mini Cooper SE a mais de 200 kWh em um EV grande e potente como o caminhão GMC Hummer EV. Figura 3 mostra a evolução real e para onde ela está indo.
À medida que os carros se tornaram “eletrônicos e computadores” sobre rodas (imagem à esquerda), os designers usaram uma topologia distribuída com um nó central. Com esta arquitetura, eles poderiam adicionar novas funções simplesmente adicionando novas unidades de controle eletrônico (ECUs). Ao longo dos anos, estas adições expandiram-se para entre 50 e 100 (ou mais) ECUs e até 4 km (2.5 milhas) de cablagens, e muitas vezes mais.
Essa abordagem é simples e direta. No entanto, uma arquitetura distribuída não é mais adequada devido ao grande volume da fiação, à ineficiência elétrica na distribuição de energia, às considerações de confiabilidade (incluindo segurança cibernética) e às considerações de custo e segurança. Além disso, cada função adicionada precisa de sua conexão de rede, além de sua alimentação CC.
À medida que as arquiteturas distribuídas ficam sobrecarregadas, os projetistas estão migrando para arquiteturas de “domínio” com uma rede de distribuição de energia parcialmente descentralizada (imagem do meio). Nesta abordagem, funções como ADAS, infoentretenimento e telemática são agrupadas logicamente, cada uma com seu próprio processador. Embora esta abordagem de domínio faça sentido lógico, ela na verdade pode aumentar a quantidade de fiação e conexões, aumentando assim o peso do veículo, a perda de potência e o custo. De forma um tanto contraintuitiva, esta arquitetura é, em última análise, necessariamente a maneira mais eficiente de organizar os sistemas elétricos e de distribuição de energia dos veículos.
Olhando para mais alguns anos, há uma mudança para arquiteturas “zonais” totalmente centralizadas. Com esta arquitetura, os sistemas são agrupados lógica e fisicamente em zonas que podem ser organizadas de forma eficiente. Em cada zona, um único e poderoso processador gerencia todas as funções, e a zona é alimentada por uma única unidade de distribuição de energia em vez de um conjunto de unidades altamente localizadas; além disso, existe uma única conexão de rede para a zona (Ethernet e outras).
Ao aproximar a ECU dos atuadores e sensores, são necessárias menos fiações e menos conexões, com benefícios óbvios e não óbvios. Os comprimentos dos cabos são significativamente reduzidos através do posicionamento otimizado do dispositivo, e alguns cabos são eliminados através da integração funcional. Cabeamento mais fino e flexível para correntes mais baixas em tensões mais altas pode ser usado no lugar de cabos mais pesados, redondos e de fio trançado. Isso reduz o custo da lista técnica, simplifica a passagem de cabos e é mais propício ao manuseio, montagem e instalação robótica na produção (um benefício facilmente esquecido).
As implicações zonais incluem implementação mais fácil de sistemas de alta tensão. Embora os sistemas de energia de 12 V sejam a norma há décadas, as arquiteturas zonais precisam de 48 V para suportar maior consumo de energia e requisitos de redundância. Esta não é uma mudança radical, pois muitos carros já possuem baterias de 12 V e 48 V. A rede de energia de 48 V oferece menor perda de energia e permite chicotes elétricos mais leves (Figura 4).
A próxima seção explorará as implicações das arquiteturas zonais e como os conversores CC/CC avançados podem eliminar a bateria de 12 V e talvez até mesmo a bateria de 48 V.
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Referências externas
Cadence Design Systems, “O que é arquitetura zonal? E por que isso está alterando a cadeia de suprimentos automotiva?”
Vicor Corp., “Sistemas 48V: O que você precisa saber enquanto as montadoras dizem adeus ao 12V”
Vicor Corp., “Veículos Elétricos: 48V é o novo 12V”
Vicor Corp., “Tesla Cybertruck eliminará componentes elétricos de 12V”
TE Connectivity, “Conectividade em arquiteturas E/E automotivas de próxima geração”
Infineon, “Sistema de distribuição de energia automotiva”
Clore Automotive, “A Evolução da Bateria Automotiva”
Continental Battery Systems, “Evolução da bateria de carro – da tecnologia antiga ao MIXTECH”
MDPI, “Características dos Sistemas de Gerenciamento de Baterias de Veículos Elétricos Considerando o Processo de Balanceamento de Células Ativo e Passivo”
ResearchGate, “Uma abordagem sistemática para o desenvolvimento de arquiteturas de sistemas de energia elétrica automotiva”
Dentro dos EVs, “Tesla confirma a mudança para o sistema de 48 volts”
Texas Instruments, “Processando as vantagens da arquitetura de zona no setor automotivo”