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O que faz avançar os VE?
A indústria automóvel está a passar por uma grande mudança, com a maioria dos fabricantes de automóveis a afirmar que os próximos dez anos serão mais transformadores do que as duas décadas anteriores. Tudo, desde os materiais e a gasolina até aos preços e aos modelos de negócio, irá sofrer alterações mais significativas nos próximos anos, levando à adoção em larga escala de veículos eléctricos (VE). A adoção de um modo de transporte mais limpo e mais eficiente tem tanto a ver com políticas governamentais e com o reconhecimento de que se deve lutar por uma maior eficiência como com avanços de ponta nas tecnologias automóveis.
Subsídios e políticas governamentais
A adoção precoce de veículos ligeiros eléctricos (LDV) foi apoiada por vantagens fiscais significativas, que estimularam o crescimento das indústrias de fabrico de VE e de baterias. Os programas, que incluíam subsídios à compra e/ou descontos no imposto sobre a compra e o registo de automóveis, foram concebidos para colmatar a diferença de preços entre os veículos eléctricos e os convencionais.
Os subsídios para VEs são normalmente considerados como uma medida única. No entanto, muitos países fornecem atualmente subsídios aos clientes de VE, sendo os subsídios responsáveis por quase metade de todas as compras de VE. Os subsídios podem ser gradualmente eliminados à medida que a tecnologia dos VE baixe substancialmente os preços. Esta eliminação progressiva pode ser complementada por impostos sobre os automóveis tradicionais para compensar as externalidades negativas associadas às suas emissões.
Preocupações ambientais
Uma vez que os transportes são a principal causa das alterações climáticas e uma das principais fontes de outros poluentes nocivos para a saúde humana, a eletrificação dos nossos automóveis é considerada uma medida fundamental.
A adoção de veículos eléctricos tem-se tornado cada vez mais importante para atingir os objectivos de economia de combustível e de emissões de CO2. O maior objetivo fixado pela União Europeia teve um impacto significativo nas vendas de automóveis eléctricos representando 18,0% do total de registos de automóveis em 2021, contra 10,5% em 2020A taxa de crescimento anual mais rápida de sempre. Como solução para os efeitos nocivos causados pela poluição dos veículos com motor de combustão interna (ICE), alguns governos estabeleceram objectivos de venda de veículos eléctricos que devem ser cumpridos. A política da Califórnia relativa aos veículos de emissões zero (ZEV) foi inicialmente implementada em 1990, o que levou a uma transição mais rápida para os VE, que representaram 10% das vendas de automóveis novos na Califórnia em 2021.
O motor de combustão tem sido um sucesso estrondoso no último século, mas já estamos a virar a esquina para algo muito melhor, algo muito mais simples que continuará a proporcionar-nos a mobilidade a que nos habituámos, mas de uma forma mais limpa, mais leve e mais sensata - os veículos eléctricos.
Principais componentes dos veículos eléctricos actuais
O VE moderno está para além de um conceito e os seus principais componentes podem ser facilmente identificados como os seguintes:
Bateria
A bateria serve como fonte de energia e é a parte mais cara do veículo elétrico. A eletricidade armazenada na bateria é utilizada para alimentar o motor elétrico, que faz girar as rodas, de forma silenciosa e sem emissões. Devido ao elevado custo de substituição, as baterias dos automóveis eléctricos devem durar o máximo possível, ao contrário dos dispositivos portáteis, que falham ao fim de alguns anos.
A capacidade da bateria determina a distância que o seu automóvel pode percorrer. Quanto maior for a capacidade, maior será a distância percorrida. Aumentar a autonomia do veículo através da adição de baterias extra não é a melhor solução. Aumenta o peso e limita desnecessariamente o espaço disponível. Como resultado, a economia de combustível e a eficiência energética são afectadas. A utilização de baterias mais pequenas e mais eficientes do ponto de vista energético é o melhor método para aumentar a distância de condução.
Carregador de bateria/carregador de bordo
Os VEs recebem a carga da bateria da rede eléctrica através de estações de carregamento localizadas em casa, em locais públicos ou em propriedades comerciais privadas. O carregador de bordo converte a energia monofásica da rede eléctrica em corrente contínua para armazenamento na bateria e controla a quantidade de energia enviada para a bateria, evitando o sobreaquecimento da bateria e do sistema de alimentação/carregador.
Inversor de potência
O inversor é o dispositivo que converte a energia CC de alta tensão e alta corrente das baterias de um veículo elétrico em eletricidade CA para o motor. A saída é uma "onda quadrada" na sua forma mais básica e é mais adequada para motores CA que contêm campos magnéticos no seu interior que precisam de tempo para aumentar e diminuir a sua força.
Os fabricantes de inversores para veículos estão sempre a esforçar-se por melhorar o design e a eficiência dos seus produtos. Recentemente, a prática de integrar um inversor com um motor ou conversor tem recebido muita atenção dos fabricantes. Por exemplo, um motor com um inversor integrado ou um módulo de potência único que combina a funcionalidade do inversor e do conversor CC-CC oferece uma melhor eficiência, reduzindo o espaço e o peso do veículo.
Motor elétrico
Os motores EV funcionam ligando um par de ímanes ou electroímanes a um eixo (ou seja, o rotor) e outro conjunto à carcaça que o rodeia (ou seja, o estator). A alternância de eletricidade é necessária para que os motores girem, caso contrário, a força electromagnética simplesmente bloquearia os seus pólos norte e sul. O motor EV aproveita estas forças de atração e repulsão para rodar o eixo, convertendo a eletricidade em binário e, eventualmente, fazendo girar as rodas, invertendo periodicamente a polaridade de um conjunto de electroímanes. Estas forças magnéticas/electromagnéticas também são capazes de converter o movimento de volta em eletricidade, como na travagem regenerativa.
Sistema de gestão da bateria (BMS)
O termo "Sistema de gestão da bateria" refere-se a um sistema elétrico que regula uma bateria recarregável para garantir o seu funcionamento eficaz e seguro (BMS). É essencialmente o cérebro do veículo e foi concebido para manter um registo das características associadas à bateria e às suas células. Em seguida, utiliza esta informação para reduzir os problemas de segurança e melhorar o desempenho da bateria. Cada modelo de veículo tem um BMS único.
Desenvolvimento futuro dos VE
O crescimento dos VE e dos veículos híbridos eléctricos (VHE) está a aumentar e, até 2025, estima-se que os VE e os VHE representarão 30% de todas as vendas de veículos. Isto exige certamente uma infraestrutura de carregamento à escala nacional e investigação e desenvolvimento contínuos com o objetivo expresso de eliminar as emissões de gases de escape dos veículos ligeiros nos EUA até 2035 e, idealmente, alcançar a neutralidade carbónica em produtos e operações globais até 2040.
De acordo com um relatório McKinsey de 2021 De acordo com as projecções da Comissão Europeia, a procura anual de energia para carregar os veículos eléctricos aumentaria de 11 mil milhões de quilowatts-hora (kWh) para 230 mil milhões de kWh em 2030, à medida que o número de veículos eléctricos em circulação aumentasse. A projeção da procura para 2030 é equivalente a cerca de 5% do atual consumo total de energia apenas nos Estados Unidos. Seriam necessários cerca de 30 milhões de carregadores para fornecer essa quantidade de energia num único ano. Enquanto a maioria destes carregadores seria colocada em casas, 1,2 milhões seriam carregadores públicos, que seriam instalados em locais de utilização quotidiana e em áreas onde os veículos estão estacionados durante longos períodos de tempo. O custo do hardware, da conceção e da instalação desta quantidade de infra-estruturas de carregamento público está estimado em milhões de dólares. Tal como acontece com a maioria das outras tecnologias que utilizamos no dia a dia, estas dependem fortemente de uma rede para facilitar a sua utilização.
Tecnologias avançadas de baterias
A partir de 2012, os preços das baterias começaram a descer 50% em quatro anos, tornando os VE mais atractivos. Não é apenas o preço, mas também os avanços tecnológicos que começaram recentemente a tornar os VE ainda mais atractivos.
Uma bateria de iões de lítio tem um eletrólito líquido, mas uma bateria de estado sólido, como o nome indica, tem um eletrólito sólido. As vantagens das baterias de estado sólido são o facto de serem mais leves, terem uma maior densidade de energia, terem um maior alcance e, consequentemente, recarregarem mais rapidamente.
A GM e a Honda declararam que estão a partilhar tecnologia, design e estratégias de fabrico para fornecer VEs acessíveis e desejáveis a uma escala global. A GM já está a esforçar-se por fazer avançar novas tecnologias, como as baterias de lítio-metal, silício e as mesmas baterias de estado sólido, bem como métodos de fabrico que podem ser utilizados para atualizar rapidamente os processos de fabrico de células de bateria, enquanto a Honda está a desenvolver a tecnologia de baterias de estado sólido, que considera ser um componente essencial dos veículos eléctricos no futuro.
Melhoria da eficiência dos motores de tração eléctrica
Os fabricantes de grandes volumes têm sido cautelosos na utilização de motores de ímanes permanentes devido à dependência de elementos pesados de terras raras, dos quais a China detém entre 35-40% das reservas mundiais.
O progresso no desenvolvimento de baterias de estado sólido, já discutido, é certamente uma tendência que garantirá que a eficiência dos veículos eléctricos que serão lançados nos próximos anos seja muito melhor do que a que está disponível atualmente, mas estão a ser feitas melhorias ao longo de todo o sistema de transmissão.
Módulos de alimentação integrados
Os módulos semicondutores de potência utilizados nos inversores são responsáveis pela transferência de energia eléctrica entre a fonte e a carga. A eficiência desses sistemas melhorou devido aos avanços nos dispositivos baseados em WBG, como SiC, MOSFETs e HEMTs. Esta eficiência melhorada, que é cerca de três vezes superior à do silício, deve-se a um maior "bandgap", ou seja, a energia necessária para tornar um eletrão acessível para conduzir eletricidade. Por exemplo, um dispositivo de SiC pode suportar um campo elétrico quase 10 vezes superior ao do silício antes de falhar, permitindo que os dispositivos de SiC funcionem a tensões significativamente mais elevadas do que as estruturas de silício comparáveis.
Condensadores de ligação DC
O termo "ligação CC" é utilizado para descrever o ponto em que duas fases de conversão de energia se encontram e um dispositivo de armazenamento de energia (ou seja, o condensador) serve de amortecedor para cada uma delas, suavizando os impulsos e reduzindo a quantidade de ondulação pico a pico. Existem vários tipos de condensadores que podem ser utilizados em aplicações de tração de veículos eléctricos e podem ser divididos em dois grupos principais: condensadores electrostáticos e electrolíticos.
Embora os condensadores electrolíticos sejam a escolha mais popular para aplicações convencionais de acionamento de motores, a sua curta vida útil, a capacidade limitada de condução de corrente e o funcionamento a baixa frequência fazem com que não sejam adequados para utilização como condensadores de ligação CC em inversores EV.
Em contrapartida, os condensadores electrostáticos têm uma construção não polar em que são utilizadas películas de plástico e cerâmica como dieléctricos. Os condensadores com um dielétrico de película plástica (particularmente polipropileno) têm uma resistência em série equivalente (ESR) muito baixa devido ao facto de a corrente não ter de fluir através de um eletrólito. Os condensadores electrostáticos podem ser produzidos com tensões muito elevadas e podem ser utilizados tanto em circuitos de corrente alterna como de corrente contínua.
Estamos sempre a tentar manter-nos a par das tendências do mercado de VE e convidamo-lo a consultar as opções de aprovisionamento disponível em TECHDesign. Deixe que a nossa equipa de especialistas o ajude para encontrar a solução ideal para as suas necessidades.