Aula 13 Sistema 42 Volts

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1 Introdução Aula 13 Sistema 42 Volts Os primeiros sistemas elétricos automotivos trabalhavam com alimentação de 6V/7V (6V através da bateria e 7V com o veículo ligado, pelo sistema de carga -alternador). Com a introdução dos sistemas de injeção eletrônica, na década de 1950, o sistema foi alterado para o atualmente conhecido 12V/14V. Hoje, cerca de 60 anos após a introdução dos primeiros sistemas de injeção eletrônica, percebe-se claramente que necessitamos de uma nova mudança no sistema elétrico. 1 2 Introdução A demanda por potência elétrica nos veículos tem crescido exponencialmente. As causas principais são: O aumento do desempenho dos veículos; A contínua adição de funções que melhoram o conforto e a segurança dos passageiros; A substituição de sistemas mecânicos e hidráulicos por sistemas elétricos. Introdução Esses elementos, entre outros, contribuem para o aumento do consumo elétrico. Em veículos pequenos, a demanda por potência cresceu de 500 watts [unidade W], na década de 1980, para W em meados da década de 1990 e chegou, no ano de 2005, a cerca de 1.500W. Nos veículos médios percebemos, nos últimos cinco anos, um salto de 1.500W para 2.800W, enquanto nos veículos grandes saímos de algo em torno de 2.000W para cerca de 3.500W. 3 4

2 Introdução O gráfico mostra a evolução e a previsão da potência elétrica média consumida. A relação potência x corrente elétrica Estudos indicam que o valor limite teórico de corrente fornecido por um sistema elétrico automotivo aproxima-se de 200 amperes. Essa limitação se dáem função da bitola da fiação, que precisaria ser muito grande para atender aos requisitos elétricos de condução. Vale mencionar que, no sistema de energia atual, 12V/14V, 200 amperes representariam 3.000W de potência consumida. Para solucionar este problema, mantendo o mesmo nível de potência entregue aos sistemas e reduzindo a corrente elétrica a níveis razoáveis (cerca de três vezes menor que o atual), o sistema 36V/42V apresenta-se como uma excelente alternativa. 5 6 A relação potência x corrente elétrica A relação potência x corrente elétrica Antes mesmo de falarmos tecnicamente desse sistema, precisamos destacar que, além de viabilizar o aumento das cargas elétricas nos veículos, ele contribuiria para a redução do nível de emissão de poluentes e do consumo de combustível. Esses dois fatores estão dando um forte impulso àadoção desse sistema de alimentação. Essa solução técnica foi desenvolvida por um grupo de pesquisa iniciado pela Mercedes Benz em meados de Várias empresas integravam o grupo de pesquisa, além de um renomado corpo acadêmico. O grupo estudou alternativas, avaliando seus impactos na segurança, confiabilidade, infraestruturae custos dos veículos. O resultado nós jásabemos qual foi: definiram como ideal o sistema 36V/42V (bateria de 36V e sistema de carga de 42V). 7 8

3 A relação potência x corrente elétrica Atualmente, os resultados dos estudos conduzidos por esse grupo jásão reconhecidos por mais de 40 empresas automotivas, montadoras e fornecedores ao redor do mundo. Os logotipos que representam esse sistema podem ser vistos nas Figuras. A relação potência x corrente elétrica Vamos reforçar o significado das representações 12V/14V e 36V/42V, 12V e 36V representam as tensões das baterias utilizadas, enquanto 14V e 42V representam os níveis de tensão encontrados com os veículos em movimento (elevados em 2V e 6V, respectivamente, em função da operação do alternador) Diferenças entre os sistemas atual e 42 volts Diferenças entre os sistemas atual e 42 volts Comparando tecnicamente os sistemas de alimentação e de carga atual com os sistemas de um veículo operando puramente em 42V, nenhuma diferença éencontrada. Como as primeiras aplicações têm sido híbridas, com peças em 12V/14V e peças em 36V/42V, algumas interfaces de compatibilização elétrica são necessárias. Complementando a resposta, podemos analisar a aplicação de duas formas: considerando o veículo como um todo e considerando os componentes eletrônicos utilizados nos módulos de controle. As Figuras comparam os requisitos de voltagem (tensão elétrica) de ambos os sistemas -12V/14V e 36V/42V -nas duas situações (veículo completo e componentes eletrônicos)

4 Diferenças entre os sistemas atual e 42 volts Diferenças entre os sistemas atual e 42 volts Hápouco mencionamos que, na prática, as primeiras aplicações dos sistemas 42V têm sido híbridas. A razão para essa estratégia épermitir a utilização de alguns sistemas atualmente disponíveis, sem a necessidade de grandes desenvolvimentos e gastos de tempo e dinheiro no projeto de novos sistemas. Com o passar dos anos, em conjunto com o desenvolvimento de novos veículos e novas arquiteturas elétricas, novos sistemas, dedicados ao sistema 42V, estarão disponíveis. Esta éuma evolução natural, muito própria de qualquer setor de tecnologia Funcionamento do sistema atual -12V/14V O esquema da Figura, apesar de parecer simples, mostra o que de fato ocorre em um veículo baseado nesse sistema de alimentação. O alternador "A" carrega a bateria de 12V, além de fornecer os 14V solicitados pelas cargas elétricas conectadas. Em um sistema híbrido 12V/14V -36V/42V, além da bateria de 12V, utilizada para o fornecimento de energia às cargas mais leves, como lâmpadas e pequenos motores, temos uma bateria de 36V, utilizada para a alimentação das cargas pesadas, como os sistemas by-wire, por exemplo. O alternador, nesse caso, trabalha com 42V, fornecendo energia que éutilizada inclusive no carregamento da bateria de 12V (após passar pelo conversor 42V -14V)

5 A Figura exibe o diagrama que representa o sistema híbrido. Neste exemplo, mostramos uma arquitetura em que o motor de partida "Mp" éuma peça independente do alternador "A". Existem empresas, como a inglesa Ricardo, que têm trabalhado em peças que incorporam as duas funções, sendo alternador e motor de partida. A Figura a seguir mostra o arranjo mecânico de um sistema com alternador e motor de partida separados, enquanto as a próximas Figuras apresentam duas alternativas que agregam essas duas peças em uma única Arranjo motor de partida e alternador separados Arranjo motor de partida e alternador integrados 19 20

6 Arranjo motor de partida e alternador integrados Outra característica de um sistema híbrido éa utilização de duas baterias, uma de 12V e outra de 36V. Nesses sistemas, uma bateria de 36V énecessária especialmente àpartida do motor. Jáa bateria de 12V énecessária como backup às aplicações baseadas no sistema 12V/14V. Sobre os requisitos técnicos das baterias, tanto a de 36V quanto a de 12V são muito similares. O que pode ocorrer é uma variação nos tamanhos das caixas, uma vez que a bateria de 36V deve ser um pouco maior em virtude da sua construção interna Composição de um conversor de tensão 42V -14V Outra alteração prevista pela indústria automotiva éa troca do princípio ativo interno, do tradicional chumbo-ácido (leadacid), para o baseado em polímero de lítio (lithiumpolymer) ou para o baseado em íon de lítio (lithiumion). Vale mencionar que baterias de lítio, apesar de serem amplamente utilizadas atualmente, ainda não foram aplicadas em automóveis. Especialistas indicam que a utilização desse tipo de bateria tende a ser promissora, especialmente pela possibilidade de ser empacotada em finos tabletes, que poderiam ser instalados em locais alternativos dos automóveis, como nos assoalhos dos veículos, por exemplo. Um problema seria o custo, superior ao das tradicionais de chumbo. 23 Como indicado anteriormente, os sistemas híbridos também necessitam de um conversor de tensão, de 42V em 14V. A Figura apresenta um exemplo de circuito que realiza essa função. 24

7 Características dos fusíveis Outro componente integrante do sistema de alimentação de um automóvel éo fusível. Em um sistema 42V ele tem a mesma função que a desempenhada atualmente, que éproteger os chicotes elétricos. Por outro lado, os fusíveis devem ser adaptados às novas condições de trabalho, especialmente em relação àcurva característica (tempo/corrente). Razões para utilizarmos o sistema 36V/42V As principais razões jáforam citadas, sendo permitir a utilização de sistemas elétricos mais elaborados, reduzir os níveis de poluição e reduzir o consumo de combustível. Alguns sistemas que impactariam diretamente em pelo menos uma das três razões mencionadas são: Sistema start-stop: o motor do veículo édesligado automaticamente enquanto estiver parado (em um semáforo, por exemplo). Repete-se a partida automaticamente ao pisar no acelerador. Estima-se que com esse sistema seja possível economizar cerca de 10% de combustível em trânsito urbano Razões para utilizarmos o sistema 36V/42V Direção elétrica assistida (DEA):o sistema de direção mais utilizado atualmente éo hidráulico, sendo um alto gerador de carga mecânica sobre o motor. Com o DEA estima-se redução do consumo de combustível, especialmente em veículos com peso acima de uma tonelada. Gerador de tensão alternada (110V e/ou 220V):função que pode auxiliar o motorista na utilização de eletrodomésticos e outras ferramentas elétricas. Excelente opcional para veículos de carga e transporte Razões para utilizarmos o sistema 36V/42V Amortecedores e barras de torção ativos: componentes que melhorariam o sistema de tração e reduziriam as possibilidades de capotamento, por exemplo. Diferencial ativo: melhoraria o sistema de tração dos veículos 4x4. Motor de partida de veículos diesel: melhoraria o ciclo de partida desses motores em condições de baixa temperatura ambiente. Desembaçador do para-brisa: melhoraria a visibilidade em condições de tempo frio

8 Razões para utilizarmos o sistema 36V/42V Razões para utilizarmos o sistema 36V/42V De acordo com o professor engenheiro Wanderlei Marinho da Silva, existem vários benefícios na transição do sistema 12V/14V para o sistema 36V/42V. Alguns deles são: Redução da secção transversal dos circuitos, impactando diretamente na massa dos veículos (redução estimada de 50% na massa dos chicotes, que, em um veículo médio, pode cair de 40 Kg para 20 Kg). Aumento da eficiência do alternador de 40% para 85%. De acordo com o professor engenheiro Wanderlei Marinho da Silva, existem vários benefícios na transição do sistema 12V/14V para o sistema 36V/42V. Alguns deles são: Aplicação de novos sistemas elétricos, como sistemas bywiree novas válvulas eletromagnéticas que, a propósito, podem ser mais baratas em função da redução da corrente consumida. Viabilização da redução do consumo de combustível, especialmente por meio da adoção de sistemas como o start-stop, mencionado anteriormente Por que 42V e não 50V ou 100V? Comentários Finais A resposta ésimples. Estudos indicam que tensões elétricas contínuas acima de 50V podem causar parada cardíaca em seres humanos. Para tanto, sistemas de isolação mais aprimorados seriam necessários, encarecendo muito a implementação dos sistemas. A transição do atual sistema 12V/14V para o 36V/42V aconteceráprimeiramente nos países onde os preços dos combustíveis são elevados, como Europa e Japão. Também nos Estados Unidos, especialmente na Califórnia, onde a legislação em relação aos níveis de poluição érigorosa, a utilização de sistemas 42V deve ser fortemente estimulada. Algumas estimativas indicam que, atéo final do ano de 2010, a produção anual de veículos equipados com o sistema 42V atingirá alguns milhões de unidades