Mark Simms considera as tecnologias que impulsionam o desenvolvimento do futuro de veículos híbridos e elétricos
O número de veículos híbridos e elétricos em showrooms e nas estradas continuam a crescer, com a tecnologia que lhes está subjacente já aparentemente estabelecida. No entanto, em muitos aspectos, estamos apenas no início da viagem em direção a transportes mais ecológicos, com muitos desafios ainda a serem superados.
Motores elétricos industriais padrão e tecnologias de transmissão associadas são bem desenvolvidos, e, claro, há potencial para a transferência de tecnologia de outros setores. Mas estes produtos estão longe de serem substitutos para o motor de combustão interna, com desenvolvedores necessitando tratar de questões como a eficiência, peso, confiabilidade, complexidade, robustez de design e custo. Então, quais são as tecnologias que podem impulsionar o desenvolvimento da próxima geração de veículos híbridos e elétricos?
Muito do foco, é claro, está no motor elétrico, que fornece a energia. A tecnologia do motor no mundo industrial convencional é altamente desenvolvida, mas o perfil operacional em um veículo elétrico (EV) é muito diferente - e alguns motores industriais convencionais em outros setores têm de trabalhar a partir da energia da bateria. Portanto, existe uma forte necessidade de abordar a concepção de motores EV de um ângulo alternativo.
Yasa em fluxo
Dois dos líderes no desenvolvimento motor elétrico para o híbrido de última geração e os veículos eléctricos são Yasa Motors e Protean Electric. Yasa Motors é uma empresa que saiu da Universidade de Oxford, Reino Unido, para desenvolver e comercializar o Yokeless e topologia de Armadura Segmentada (YASA) inovadora - um novo tipo de motor de fluxo axial que segundo a empresa demonstra uma melhoria radical na densidade de torque quando comparado com os motores de fluxo axial. A topologia é baseada em torno de uma série de segmentos que formam magneticamente o estator da máquina. A mudança radical no binário específico do motor (20Nm/kg, que é reivindicada a ser tipicamente, pelo menos, duas vezes melhor do que as melhores alternativas), vem da combinação de melhorias patenteadas no magnetismo, resfriamento e embalagem do motor.
No início deste ano, a Jaguar Land Rover (JLR) embarcou em um programa de pesquisa de £16m (US $ 26 milhões), de 27 meses chamado Evoque_e, com o objetivo de desenvolver veículos elétricos de pesquisa contendo motores Yasa. Consultoria especialista de engenharia de Design de Transmissão será responsável pela integração de motores, embreagens e estratégias de embreagem associadas ao gerenciamento de torque e consequência para as rodas. Outros membros do consórcio incluem Evoque_e AVL, GKN Driveline, Tata Steel, Williams Advanced Engineering, Delta Motorsport, Motor Design e Zytek. Os três carros no projeto Evoque_e deverão ser inaugurados em 2015 conforme demonstrações sobre o que a tecnologia pode trazer para EVs de próxima geração.
Ao mesmo tempo, a própria Yasa Motors garantiu £5m de uma combinação de investidores novos e já existentes para aumentar a capacidade de produção para atender à demanda dos clientes e aumentar suas atividades comerciais. "Estamos naturalmente encantados com o apoio demonstrado por nossos investidores, que compartilham nossa visão do potencial para nossos motores elétricos altamente diferenciados", diz Chris Harris, diretor executivo da Yasa Motors. "Os motores já estão sendo integrados em produtos por um número cada vez maior de clientes."
Desenvolvimento Protean
Por sua parte, Protean Electric está desenvolvendo seu sistema de acionamento elétrico em roda, o Protean Drive - uma tecnologia premiada, que é parte integrante de um sistema de motor e transmissãohíbrido, quando emparelhado com um motor de combustão interna tradicional.Também é poderoso o suficiente para ser a única fonte de unidade de tração em Produção de EVs. Produzindo torque e potência exatamente onde e quando os motoristas precisam, cada motor se encaixa facilmente no espaço vazio atrás de uma roda convencional de 18 a 24 polegadas, e pode usar o rolamento da roda do equipamento original. A configuração de acionamento direto reduz o número de peças, complexidade e custo, por isso não há necessidade de integrar componentes de transmissão tradicionais, como engrenagens, transmissões, eixos de transmissão, eixos e diferenciais externos.
No final de 2013, Metamorfose Electric anunciou uma parceria com a Volkswagen Automotive FAW- para desenvolver um novo sistema de propulsão elétrica que incluirá o Protean Drive, trabalhando no sentido de um programa de veículo de demonstração e produção. FAW-VW diz que criará um novíssimo sistema de transmissão às rodas traseiras por um EV puro baseado no VW Bora.
Protean já pode apontar para uma série de veículos de demonstração que utilizam sua tecnologia de motor, incluindo a Volvo C30 Series HEV, o Ford F-150 EV, o Vauxhall Vivaro PHEV e o Brabus híbrido, baseado no Mercedes E-Class.
Protean diz que seu novo motor de produção fornece a maior densidade de qualquer sistema líder de propulsão elétrica de torque e potência. Cada motor integrado nas rodas vem com seu próprio poder e controle eletrônicos embalados no interior do motor, que se comunica com o veículo por meio de um sistema de controle de veículo comum.
Sistemas de acionamento de baixa tensão
Uma característica comum entre muitos da nova geração de motores para veículos híbridos e elétricos, é que eles exigem baterias de alta potência - tipicamente 250V a 400V DC - mas como o mercado de veículos híbridos continua a crescer, um novo campo está emergindo que incide sobre soluções 48V.
Um líder nesta área é o componentes de sistemas de rolamentos e automotivo Schaeffler, que desenvolveu uma série de sistemas inovadores para os futuros veículos de passageiros equipados com alto desempenho de sistemas elétricos 48V à bordo. O elemento central deste é um módulo de acionamento elétrico compacto 48V, que inclui uma embreagem e transmissão planetária, que pode ser colocado na parte da frente ou no eixo traseira do veículo. Schaeffler diz que este novo módulo da unidade abre o caminho para mais hibridação rentável de veículos.
Segundo a empresa, o design de baixa tensão reduz os custos em comparação com os requisitos associados de soluções de alta tensão. Além disso, o uso do sistema de 48V da Schaeffler abre possibilidades operacionais que antes eram de domínio exclusivo dos veículos equipados com componentes híbridos de alta tensão. Estes incluem o rastreamento de trânsito de pára/arranca - onde o motor elétrico garante velocidade praticamente constante ao longo de uma ampla faixa operacional enquanto o motor de combustão interna é desligado - dirigindo em áreas residenciais, estacionamento e outras situações de condução de baixa velocidade. Além disso, o acionamento elétrico auxilia o motor de combustão interna, fornecendo torque extra, por exemplo, quando se desloca de semáforos.
Thomas Smetana, vice-presidente da Schaeffler para o grupo de produtos e sistemas de eixo elétrico, explica que a nova tecnologia oferecem toda as vantagens de um veículo híbrido, mas em um pacote economicamente atraente e com um número de benefícios adicionais." O fato de que a unidade de acionamento está ligado diretamente ao eixo propulsor traseiro em veículos com tração, evita perdas de arrasto pelo motor de combustão interna ", diz ele. "Podemos, portanto, alcançar a máxima eficiência e permitir situações de condução que antes eram oferecidas apenas por veículos híbridos com projetos muito mais complexos.
"Nossa combinação de um motor elétrico e transmissão também permite o fluxo de força a ser distribuída seletivamente", continua ele. "Torques de acionamento podem ser sobrepostos e até vetorização de torque - a distribuição variável de torque que serve para aumentar a segurança de condução - é possível".
Schaeffler acrescenta que os fabricantes de veículos que decidem instalar um sistema elétrico 48V a bordo, além de sistema de 12V padrão, também podem integrar outras inovações de alto desempenho adequados para o veículo. Estes incluem chassis de alto desempenho, atuadores de reação rápida, permitindo que a distância ao solo possa ser regulada de acordo com as condições de condução e do terreno, que tem um efeito positivo sobre a aerodinâmica de veículo e, portanto, no seu consumo de combustível.
Além do alto desempenho devido à faixa de tensão maior, um segundo sistema elétrico de bordo também oferece a vantagem de seções dos cabos menores. Isso reduz o peso e facilita a integração e instalação dos feixes de cabos no veículo.
Colocando suas idéias 48V em ação, a Schaeffler co-desenvolveu um carro inovador "híbrido suave" com a Continental: O Carro de Tecnologia à Gazolina (GTC). Revelado no 35 Symposium Internacional de Viena Motor este ano, o projeto GTC demonstra como a integração em rede de tecnologias híbridas leves principais podem reduzir o consumo de combustível e emissões de CO2 de um adicional de 17% em comparação a um Ford Focus EcoBoost de 1.0 litros já altamente eficiente com uma redução de motor a gasolina de três cilindros.
Tecnologia Magnetic
Muitas tecnologias para veículos híbridos e elétricos compartilham o uso de tecnologias de engrenagens industriais convencionais. De Protean é um motor de roda que elimina a necessidade de uma caixa de velocidades, é de fato uma solução, mas uma outra opção vem de Sheffield, da Magnomatics com sede no Reino Unido. A empresa desenvolveu o que chama de tecnologia "Pseudo Direct Direto" (PDD) para entregar máquinas elétricas com torque altamente densos e eficientes. A Magnomatics diz que sua tecnologia de PDD é adequada para a série híbrido e/ou híbridos paralelos, tanto em formas de eixo da frente como em roda, e resultará em um sistema de transmissão do veículo, que é mais compacto e confiável do que pode ser alcançado por tecnologias concorrentes.
A máquina PDD é uma integração magnética e mecânica elegante e extremamente compacta de uma engrenagem magnética de baixa relação e um motor/gerador magnetico permanente. Esta máquina integrada tem uma densidade de torque inigualável, que a Magnomatics diz ser várias vezes maior do que uma máquina de magnetica permanente de alto desempenho, resultando em um acionamento elétrico compacto que não necessita de quaisquer sistemas de lubrificação ou de arrefecimento auxiliares.
"Estamos muito satisfeitos com a forma como o teste dos dispositivos MAGSPLIT e os resultados são muito promissores, demonstrando o quanto mais eficiente tecnologia de engrenagem magnética é", diz o gerente de negócios da Magnomatics David Latimer.
A tecnologia de tração para veículos híbridos e elétricos está certamente, ganhando ritmo, com numerosos híbrido completo, híbrido leve e veículos totalmente elétricos já existentes no mercado e vendendo bem. No entanto, os resultados dos programas de avaliação sobre a próxima geração de componentes de transmissão pode realmente definir o sucesso dos veículos além da era do motor de combustão interna - e agora eles possuem uma perspectiva muito animadora.
