Híbridos: a Schaeffler explica o Mild Hybrid 48 Volt
De uns tempos para cá, surgiu a expressão “mild hybrid de 48 Volt” , tecnologia que permite significativa redução de consumo e emissões da maioria dos automóveis, de modo simples e a baixo custo.
Esta tecnologia será, sem dúvida, decisiva na popularização modelos dos híbridos, pelas vantagens que acarreta, pela 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.
O Grupo Schaeffler é fornecedor global do setor automotivo e industrial. A empresa é reconhecida pela qualidade, tecnologia de ponta e alto grau de inovação. Com componentes de precisão e sistemas para motores, transmissões e chassis, assim como soluções de rolamentos e mancais para uma variedade de aplicações, o Grupo Schaeffler está de olho na mobilidade para o futuro. Em 2017 a empresa teve volume de negócios de mais de US$ 15 bilhões. Com mais de 90.000 funcionários, é uma das maiores empresas de tecnologia do mundo, de propriedade familiar e tem cerca de 170 instalações em 50 países, distribuídos por meio de uma rede mundial de locais de produção, instalações de pesquisa e desenvolvimento e distribuidores. A Schaeffler do Brasil tem sede em Sorocaba (SP) e reúne três principais marcas: INA, FAG e LuK. Além da unidade fabril localizada no Brasil, a empresa possui operações em diversos países da América do Sul.
De volta aos híbridos. Cerca de 70% das emissões globais de dióxido de carbono (CO2) devem-se à combustão de combustíveis fósseis, e o setor dos transportes representa quase um quarto desse valor. Para alcançar os ambiciosos objetivos climáticos da resolução de Paris, serão necessárias, no futuro, novas tecnologias na propulsão dos veículos.
A tecnologia elétrica continua evoluindo, e em 2030 praticamente 30% dos automóveis de passeio produzidos funcionarão com propulsão totalmente elétrica. Outros 30% do mercado mundial ainda serão constituídos por veículos levados unicamente por um motor de combustão. Os 40% restantes terão propulsão híbrida.
Isso será possível graças ao sistema mild hybrid de 48 Volt, tecnologia desenvolvida pela Schaeffler, que permite significativa redução dos consumos e emissões da maioria dos automóveis, de modo simples e a baixo custo. Esta tecnologia será decisiva na popularização dos híbridos, pela simplicidade de funcionamento e porque pode ser instalada em automóveis e estruturas de produção e montagem já existentes, o que permitirá comercializar híbridos a preços muito competitivos.
A hibridização de 48 Volt permite eletrificar plataformas convencionais, proporcionando até 20 kW de potência elétrica sem obrigar a efetuar grandes alterações para adaptar toda a arquitetura do veículo. Em comparação com os sistemas híbridos de alta voltagem, a de 48 Volt oferece excelente relação custo/benefício.
A sua implementação técnica é simples, graças à concepção modular, que facilita o uso. Existem seis níveis de hibridização de 48 Volt, que cobrem diferentes necessidades e prestações.
A utilização da hibridização mild hybrid permite redução média dos consumos e emissões de CO2 em 15%, segundo o novo ciclo de testes WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures), graças à recuperação de energia nas fases de desaceleração e frenagem.
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, por inércia, com o motor de combustão num nível mínimo de funcionamento ou até mesmo desligado 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 do estilo de condução adotado.
A hibridização de 48V também permite satisfazer as cada vez maiores exigências de energia elétrica, por exemplo, para novas funcionalidades do automóvel ou para a condução autônoma.
A eficiência de um motor de combustão também são incrementadas com este sistema. Por exemplo, proporcionando disponibilização extra de torque a baixas rotações, em combinação com o controle da distribuição. Até porque com a legislação RDE (Real Driving Emissions), reduzir a pressão do acelerador nas fases de aceleração, e utilizar catalisadores elétricos, pode levar a uma melhoria significativa das emissões.
Em relação à hibridização de alta voltagem, a tecnologia de 48 Volt oferece implementação mais simples e custo inferior, e não só dos seus próprios componentes. Por exemplo, pode dispensar 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
Nível 0
No sistema de Nível 0, o motor elétrico está unido ao virabrequim do motor de combustão por meio de uma correia. Com este alternador torna-se possível recuperar grande parte da energia cinética que se perde na frenagem. Uma pequena e econômica bateria de ions de lítio serve para armazenar energia. A energia recuperada pode ser utilizada para voltar a dar partida no motor no funcionamento do sistema “Start/Stop”, para manter a velocidade de cruzeiro ou para proporcionar aceleração adicional. Vantagem adicional deste recurso reside no fato de que o ar condicionado continua funcionando com o motor de combustão desligado.
As simulações de consumo e emissões no ciclo WLTC feitas pela Schaeffler mostram que um híbrido de Nível 0 alcança economia de 3,8% em consumos e emissões (em comparação com um micro-híbrido 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 ímãs permanentes (PSM).
Devido ao seu reduzido custo de aplicação, esta tecnologia será utilizada de forma maciça nos próximos anos, em especial na Europa, e contribuirá de forma decisiva para o cumprimento dos objetivos de emissões médias de CO2 das marcas. Em 2030, estima-se produção anual de aproximadamente 20 milhões de unidades de sistemas de Nível 0.
Nível 1
A colocação do motor elétrico de 48 Volt neste caso também está no virabrequim, mas sem correia de acoplamento. Nesta disposição, é sempre utilizado um motor síncrono de ímãs permanentes (PSM), mais compacto, e caraterizado pela sua elevada eficiência e entrega de torque. O híbrido de Nível 1 alcança redução de consumos e emissões de CO2 de 8,5% no ciclo WLTC. E esta porcentagem pode melhorar bastante caso sejam otimizados ao máximo os motores de combustão, com elementos como, por exemplo, o sistema de distribuição totalmente variável UniAir e aumento da taxa de compressão.
Nível 2
Neste nível, o motor elétrico é instalado entre o motor de combustão e a caixa de câmbio. Para propulsões frontais transversais, em que há pouco espaço disponível, a Schaeffler desenvolveu uma versão paralela ao eixo, que atua na entrada da caixa por meio de correia ou corrente. O sistema permite, igualmente, recuperar a energia de frenagem e conduzir de forma elétrica a velocidades reduzidas, como em congestionamentos ou manobras de estacionamento.
Os módulos de Nível 2 da Schaeffler permitem, ainda, hibridizar de forma rentável modelos com caixa de câmbio, abrindo caminho a esta tecnologia nos segmentos mais populares do mercado.
O módulo híbrido com motor síncrono de ímãs permanentes disponibiliza potência contínua de 10 kW, com picos máximos de 15 kW durante 20 segundos. A embreagem de desconexão possui capacidade de torque de 250 Nm. É necessário 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, por exemplo. O módulo híbrido completo de Nível 2 acarreta incremento de peso de 31 kg.
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 embreagem multi-discos, se necessário, para uma versão de tração total. O rendimento máximo do motor elétrico arrefecido por água é de até 20 kW em modo de gerador, e entrega até 234 Nm de torque máximo em modo de tração, que se transmite numa relação de 3,9:1 por meio de uma engrenagem de planetário de estágio único. A velocidade máxima do motor elétrico é alcançada à 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 partida 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 embreagem multi-discos, 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 em estrada, com foco 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 médio, 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% comparado com 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 modo diferente: o motor 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 leves de apenas um passageiro.
