Hibridização de motores: solução para reduzir emissões

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O palavrão “hibridização” está a tomar conta do sector automóvel, por via da utilização de sistemas elétricos como forma de reduzir os consumos dos motores térmicos.

A tecnologia mais popular é “mild hybrid”, que assenta sobre sistemas alimentados por baterias de 48 V referidos neste texto.

Esta tecnologia parece decisiva na popularização massiva dos híbridos, pelas vantagens que acarreta, pela sua simplicidade de funcionamento, e porque pode ser instalada em automóveis e em estruturas de produção e montagem já existentes, o que permitirá comercializar modelos híbridos a preços muito competitivos.

A utilização da hibridização “mild hybrid” permite uma redução média dos consumos e emissões de CO2 de 15% (segundo o novo ciclo WLTP – Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures, em inglês, ou Procedimentos Mundialmente Harmonizados para Testes de Veículos Ligeiros, em português), graças à recuperação de energia nas fases de desaceleração e travagem.

Essa energia é utilizada em tantas situações de condução quanto seja possível, assim como para aumentar a potência, para conduzir de forma puramente elétrica ou para manter a velocidade de cruzeiro.

Isto significa que o motor de combustão interna se desligará e ligará entre 600 mil e 900 mil vezes durante a sua vida útil, dependendo da estratégia de condução adotada.

A hibridização de 48V também permite satisfazer as crescentes exigências de energia elétrica com novas funcionalidades do automóvel ou para a condução autónoma, por exemplo.

WLTP acelera a necessidade da eletrificação

A eficiência e as prestações de um motor de combustão também são incrementadas com este sistema eletrificado.

Por exemplo, proporcionando uma disponibilização extra de binário a baixas rotações, em combinação com o controlo da distribuição.

Para mais, com a legislação RDE (Real Driving Emissions), reduzir a carga do acelerador nas fases de aceleração e utilizar catalisadores elétricos, pode levar a uma melhoria significativa das emissões.

Relativamente à hibridização de alta voltagem, a tecnologia de 48 Volt oferece uma implementação mais simples e um custo inferior, e não só dos seus próprios componentes.

Por exemplo, pode prescindir-se de todos os elementos de isolamento elétrico necessários nos híbridos de alta tensão.

O que é extensível a todos os sistemas elétricos de alto rendimento que equipam um automóvel.

Os níveis de hibridização de 48V

 

No caso da desenvolvida pela Schaeffler, a comparação com os sistemas híbridos de alta voltagem está na relação custo-benefício, já que a sua implementação técnica é simples, graças à sua conceção modular, que facilita a respetiva introdução.

Seis níveis de hibridização de 48 Volt cobrem diferentes necessidades e prestações:

 

  • Nível 0

No sistema de nível 0, o motor elétrico está unido à cambota do motor de combustão através de uma correia.

Com este alternador torna-se possível recuperar uma grande parte da energia cinética que se perde na travagem.

Uma pequena e económica bateria de iões de lítio serve para armazenar energia.

A energia recuperada pode ser utilizada para voltar a arrancar o motor no funcionamento do sistema “start-stop”, para manter a velocidade de cruzeiro ou para proporcionar uma aceleração adicional.

Vantagem adicional desta arquitetura reside no facto de o ar condicionado continuar a funcionar com o motor de combustão desligado.

As simulações de consumo e emissões no ciclo WLTC levadas a cabo pela Schaeffler mostram que um híbrido de nível 0 alcança uma poupança de 3,8% em consumos e emissões (relativamente a um microhíbrido de 12 Volt, com alternador inteligente e função start&stop) com um motor elétrico de polos assíncronos ou de polos alternados; e de 6,6 % com um motor elétrico síncrono de ímanes permanentes (PSM).

Devido ao seu reduzido custo de integração, esta tecnologia será utilizada de forma massiva nos próximos anos, especialmente na Europa, e contribuirá de forma decisiva para o cumprimento dos objetivos de emissões médias de CO2 das marcas.

Em 2030, estima-se uma produção anual de aproximadamente 20 milhões de unidades de sistemas de nível 0.

  • Nível 1

A colocação do motor elétrico de 48 Volt também está na cambota, mas sem correia de acoplamento.

Nesta disposição é sempre utilizado um motor síncrono de ímanes permanentes (PSM), mais compacto, e caraterizado pela sua elevada eficiência e entrega de binário.

O híbrido de nível 1 alcança uma redução de consumos e emissões de CO2 de 8,5% no ciclo WLTC.

E esta percentagem é bastante melhorável caso sejam otimizados ao máximo os motores de combustão, com elementos como, por exemplo, o sistema de distribuição totalmente variável UniAir e um aumento da taxa de compressão.

  • Nível 2

Neste nível, o motor elétrico é instalado entre o motor de combustão e a caixa de velocidades.

Para propulsões frontais transversais, em que há pouco espaço disponível, a Schaeffler desenvolveu uma variante paralela ao eixo, que atua sobre o veio de entrada da caixa de velocidades através de uma correia ou corrente.

O sistema permite, igualmente, recuperar a energia de travagem e conduzir de forma elétrica a velocidades reduzidas, como em engarrafamentos, a estacionar ou em manobras.

Os módulos de nível 2 da Schaeffler permitem, ainda, hibridizar de forma rentável modelos com caixa de velocidades, abrindo caminho a esta tecnologia aos segmentos mais populares do mercado.

O módulo híbrido com motor síncrono de ímanes permanentes disponibiliza uma potência contínua de 10 kW, com picos máximos de 15 kW durante 20 segundos.

A embraiagem de desconexão possui uma capacidade de binário de 250 Nm.

É requerido um espaço axial adicional de 80 mm para integrar estes elementos, algo fácil de conseguir numa disposição de motor transversal de três cilindros com tração dianteira.

O módulo híbrido completo de nível 2 acarreta um incremento de peso de 31 quilogramas.

  • Nível 3

O motor elétrico é colocado na saída de transmissão, configuração válida tanto para motores e transmissões em linha, como transversais; e permite a integração de uma embraiagem multidiscos, se necessário, para uma variante de tração total.

O rendimento máximo do motor elétrico refrigerado por água é de até 20 kW em modo de gerador, e entrega até 234 Nm de binário máximo em modo de tração, que se transmite numa relação de 3,9 através de uma engrenagem de planetário de estágio único.

A velocidade máxima do motor elétrico é alcançada a uma velocidade do veículo de, aproximadamente, 140 km/h. Para um veículo com tração dianteira, o módulo pesa 22 kg.

Graças a este sistema, adicionado a um gerador de arranque de 12 V, as emissões de CO2 caem 15,3% por comparação com o veículo base com motor de combustão.

O módulo híbrido também pode ser utilizado num veículo de tração total com a adição de uma embraiagem multidiscos, que transmite até 800 Nm.

  • Nível 4

No nível 4, a transmissão do eixo traseiro é substituída por um sistema de transmissão elétrica, que complementa o motor de combustão, que atua sobre o eixo dianteiro.

Assim se obtém a tração total, bem como a desconexão total do motor e transmissão convencionais do motor elétrico.

Uma transmissão de duas velocidades permite que o motor elétrico se ajuste à sua configuração ideal numa multiplicidade de situações de condução.

A segunda velocidade é acionada a partir dos 70 km/h e está destinada à condução interurbana e em autoestrada, focando-se exclusivamente nas funções de reforço e recuperação.

O eixo está concebido de tal modo que torna possível a condução puramente elétrica em ambiente urbano.

A tecnologia de motor elétrico que deve ser utilizada para complementar este sistema é uma decisão em aberto e depende da potência máxima, da densidade de potência, do espaço disponível e da segurança funcional.

O peso total do eixo elétrico é de, aproximadamente, 40 quilogramas.

Um sistema de tração total convencional, num modelo típico do segmento C, incrementa o consumo, em média, em 11 %.

Utilizando este sistema, um híbrido de nível 4 de tração total reduz o consumo e as emissões em 15,5% relativamente a um tração dianteira; e em 24% relativamente a esse mesmo modelo com tração total convencional.

  • Nível 5

Este nível também oferece tração total, mas de um modo diferente: o propulsor e a transmissão estão alojados no cubo de cada roda de um eixo.

Na tecnologia de 48 Volt, este nível apenas é válido para veículos ligeiros de apenas um passageiro.

Sobre a Schaeffler

 

 

O Grupo Schaeffler é um fornecedor global líder integrado dos sectores automóvel e industrial, desde componentes e sistemas de alta precisão para motores e aplicações de transmissões e chassis, assim como com soluções de rolamentos para um grande número de aplicações industriais.

Gerou vendas de torno de 14 mil milhões de euros em 2017. Com mais de 90 000 colaboradores em todo o mundo, a Schaeffler é uma das maiores empresas tecnológicas de propriedade familiar.

Possui mais de 170 instalações em 50 países formam uma rede mundial que inclui instalações de fabrico, de investigação e desenvolvimento e de comercialização.