Componentes automotivos: Quais são os desafios dos projetos de sistemas elétricos e a combustão?
Além das preocupações ambientais e das motivações econômicas, as recentes crises geopolíticas aumentaram também a preocupação por segurança energética. Todos estes fatores têm acelerado a adoção da eletrificação nos transportes nas suas diversas formas, desde os microhíbridos e transporte individual como scooters e bicicletas, até ônibus urbanos e caminhões pesados movidos à bateria.
Assista ao webinar gratuito Simulação computacional no ecossistema de mobilidade elétrica para conhecer os desafios e tendências para eletrificação, mobilidade, seus sistemas e equipamentos.
Motores de combustão interna (ICEs) e equipamentos agregados
Em veículos propelidos por motores de combustão interna (ICEs) os chamados auxiliares ou agregados (bombas, compressores, atuadores, ventoinhas, etc) são alimentados por motores elétricos conectados à rede de baixa tensão. Atualmente é padrão o uso de 12V para veículos leves e 24V para veículos comerciais, embora a tecnologia de 48V venha ganhando destaque. Uma segunda abordagem é via acionamento direto pelo eixo do motor através de um sistema de polias e correias.
Em geral estes agregados são dimensionados para operar acima do ponto mínimo necessário para absorver as variações de velocidade de rotação. Em veículos elétricos estas polias estão ausentes. Para acionar estes agregados faz-se necessário o uso de motores ou atuadores elétricos. Se por um lado isso implica uma revisão de muitas tecnologias maduras e consagradas, abre potenciais para componentes e sistemas mais compactos, eficientes e com operação mais precisa.
A Bosch é exemplo em se tratando de desenvolvimento de bombas de óleo elétricas para atender as principais exigências do mercado no segmento de veículos eletrificados. As bombas otimizam as funções de resfriamento, lubrificação e atuação transmissões automatizadas. Essa mesma abordagem é apresentada em detalhes no estudo de caso desenvolvido em parceria com a Ansys.
(Esquerda): Bomba de pistão axial variável Bosch. (Direita): Pressão variável aplicada às superfícies do pistão para corresponder às condições reais.
Sistema HVAC
Sistemas de ar-condicionado são mais um exemplo de agregados que em veículos com motores de combustão tem o seu acionamento por acoplamento ao eixo do motor. Em veículos elétricos, o acionamento de compressores e ventoinhas necessita ser feito diretamente por motores elétricos dedicados. Ainda, há o potencial de desenvolvimento dos motores elétricos destes componentes com valor de tensão bastante acima dos usuais 12V, o que permite designs mais compactos, com menos consumo de material, melhor eficiência e gerenciamento térmico.
Acesse o webinar Soluções de simulação em projetos de HVAC e veja como alcançar a eficiência energética e segurança de ambientes com o uso de protótipos virtuais.
Análise de conforto térmico.
Em ônibus urbanos, uma importante aplicação em mercados emergentes, o sistema de ar condicionado é compulsório e o consumo de energia (em particular consumido por compressores) chega a ser da ordem de metade do consumo total de operação do veículo.
Para viabilizar esta aplicação, a atenção ao sistema de HVAC e os aspectos de eficiência e isolamento térmicos são tão relevantes quanto o desempenho dos sistemas de bateria e propulsão.
Outro aspecto que passa a merecer atenção ainda maior é o conforto acústico, pois sem o ruído do motor a combustão a percepção dos demais ruídos torna-se mais pronunciada.
Arrefecimento de motores
Tecnologias originadas a partir dos anos 1990, tais como avanços em materiais magnéticos, eletrônica de potência e novos recursos de design baseados no método dos elementos finitos, proporcionaram uma evolução sem precedentes aos “drives” elétricos, permitindo densidades de potência e torque cada vez maiores.
Contudo, o fator limitante na compactação dos motores elétricos – a densidade de corrente nos seus condutores – está condicionado ao método e à eficiência do arrefecimento destes motores.
Conceito para verificação de gerenciamento térmico de motor elétrico.
Com as atuais limitações em custo peso de baterias, a chave para viabilizar quaisquer aplicações de eletrificação é a eficiência. A eficiência global é a chave para reduzir o custo de fabricação dos veículos, aumentar a autonomia, reduzir os custos de energia e reduzir o tempo de carga.
A Volkswagen conseguiu através de simulação contornar flutuações térmicas que poderiam sobrecarregar a bateria do ID.R Race Car para quebrar o recorde de tempo na pista de Nurburgring. Confira os detalhes deste projeto no vídeo produzido pela Ansys:
O gerenciamento térmico de máquinas elétricas é hoje a fronteira da evolução tecnológica destes motores. A próxima geração de veículos elétricos irá se distinguir pelo desenvolvimento integrado dos aspectos térmicos e eletromagnéticos das máquinas elétricas. Sistemas inovadores de arrefecimento como arrefecimento direto das bobinas por spray de óleo irão requerer novas e abrangentes técnicas de análise e design.
Veja como as equipes da Bosch e da Stellantis utilizam simulação em diferentes aplicações para criar os protótipos virtuais, com ênfase na área de eletrificação.
Transmissão para powertrain elétrico
O desenvolvimento de transmissões para powertrain elétrico também tem suas características e desafios específicos: em muitos casos a rotação de entrada da transmissão (portanto de saída do motor) chega aos 10.000 rpm, já se estudam motores com rotações que podem ultrapassar 15.000 rpm. Além disso, na maioria dos casos as caixas de transmissão trabalham com relação constante, ou talvez com duas velocidades.
Embora à primeira vista essa característica permite simplificar o sistema, isso implica que o sistema de transmissão precisa trabalhar com elevada eficiência, alto desempenho e baixo ruído em uma faixa de rotações muito mais ampla do que o usualmente praticado em veículos com motores de combustão interna. As rotações elevadas apresentam desafios para a construção destes equipamentos, assim como para a sua lubrificação e gerenciamento térmico.
Essa abordagem de aprimoramento na integridade estrutural e os respectivos fatores de degradação de desempenho foram avaliadas pela SEW-Eurodrive Brasil. Ao final do estudo realizado por simulação numérica se verificou um ganho de rigidez da ordem de 60% no sistema.
Suspensão
O peso adicional representado pelo pacote de baterias representa desafios consideráveis para o desenvolvimento e aplicação de sistemas de suspensão tanto para veículos leves quanto para os comerciais. Para os veículos leves o peso acrescentado pelo pacote de baterias pode representar metade do peso total do veículo. Além disso, a distribuição de massa é completamente alterada pela presença das baterias. O desenvolvimento de sistemas de suspensão que garantam os requisitos de conforto e segurança e que não tenham sua durabilidade comprometida devem levar estes aspectos em consideração.
Análise dinâmica de suspensão e sistema de amortecimento
Para os veículos comerciais, o peso adicional representa ainda mais um desafio: existem rígidas regulamentações para a carga total por eixo para esta classe de veículos, a fim de limitar os danos causados ao piso de ruas e estradas.
A fim de acomodar a massa adicional representada pelo pacote de baterias (que pode chegar a algumas toneladas) sem sacrificar capacidade de carga ou de passageiros, frequentemente novas configurações de eixo precisam ser empregadas.
O comportamento dinâmico do sistema é outro fator diretamente relacionado com o peso incremental e o reposicionamento do centro de massa do veículo. Avaliações de dirigibilidade e respostas em termos de rigidez, estados de tensões e fadiga deste sistemas somente são possíveis com a representação flexível dos diferentes componentes que o compõem.
Ferramentas de análise dinâmica em multicorpos são a resposta para a representação virtual de um modelo físico como pode ser visto neste webinar.
Freios
Este é mais um sistema grandemente afetado pelo acréscimo de peso dos pacotes de bateria – este aumento de massa irá implicar maior exigência mecânica, maior desgaste e gerenciamento térmico mais complexo para os sistemas de freio. A simulação permite um aumento significativo na produtividade durante o desenvolvimento de novos designs de discos de freios. Ansys Workbench possibilita uma abordagem termoestrutural para uma análise completa.
Por outro lado, o desenvolvimento dos freios deve ser intimamente coordenado com o desenvolvimento e controle do powertrain elétrico, para que se possa extrair o máximo benefício da frenagem regenerativa (modo de operação do motor elétrico em que o motor atua como um freio auxiliar e gera energia para recarregar a bateria).
Modelos acurados do powertrain elétrico (motor, inversores e controle) podem poupar enorme esforço, custo e tempo no processo de dimensionamento e calibração de freios para estes veículos.
Ruído de freio, brake squeal, entretanto, seguirá como sendo um parâmetro de fundamental importância para assegurar o conforto dos passageiros e pedestres, combinado com o atendimento de normativas técnicas de segurança e ocupacionais.
(Esquerda): Modelo em malha de um sistema de freio.
(Direita): Simulação de brake squeal.
Estrutura, segurança passiva e impacto
O desenvolvimento de componentes estruturais para veículos elétricos apresenta uma série de desafios específicos: A massa adicional do pacote de baterias pode se apresentar concentrada em uma dada região do veículo (como no caso de alguns ônibus elétricos), acrescenta um enorme esforço estático devido ao peso, mas também introduz na estrutura solicitações por fadiga completamente diferentes das encontradas em veículos convencionais.
Além do desempenho em condição operacional, o desenvolvedor de componentes estruturais deve ter particular cuidado com as condições de colisão e impacto.
Mesmo com os diversos mecanismos ativos de proteção do sistema de bateria, intrusão ou fragmentação do alojamento do pacote de baterias podem gerar situações catastróficas.
Além disso, o projeto deve contemplar que em tais condições a deformação dos componentes estruturais não cause seccionamento ou curto circuito em componentes energizados com alta tensão de modo a não expor os socorristas a risco de eletrocussão.
Análise de proteção aos ocupantes do veículo durante impacto.
Conciliar os desafios de integridade estrutural com a redução de peso necessária para a viabilidade da aplicação só é possível com o uso de técnicas computacionais de análise estrutural e otimização.
Para mais análises sobre o uso de simulação em testes de impacto, acesse nosso estudo sobre crashworthiness.
Aerodinâmica externa
Se você está dirigindo um automóvel com um motor de combustão interna ou um automóvel com uma fonte de energia completamente elétrica, quanto mais longe você puder ir em um tanque de gasolina ou uma carga de bateria completa, melhor. Sendo assim, um dos focos dos engenheiros do setor automobilístico é direcionado a melhorar a distância percorrida com o consumo de gasolina ou consumo da capacidade da bateria. Mas nem todas as melhorias vêm de motores ajustados e baterias maiores e mais eficientes.
Melhorias em performance são possíveis, mas mais difíceis de alcançar. Para tanto, é necessário um trabalho combinado. Enquanto aprimoramento de eficiência em baterias depende de avanços mecânicos e químicos, o aprimoramento na aerodinâmica externa é uma abordagem paralela com papel importante para melhorar a eficiência energética dos veículos.
A eletrificação combinada com padrões de teste mais rigorosos aumenta ainda mais a necessidade de previsão aerodinâmica de forma ágil e precisa de novos projetos de veículos.
Resultados da transformação da malha e o perfil de fluxo simulado. Os contornos na parte superior da figura mostram a forma do espelho lateral e do topo, respectivamente.
Em aplicações urbanas em tráfego pesado, com repetidas partidas e frenagens e velocidade relativamente reduzidas, a maior parte da energia consumida é utilizada para transferir energia cinética (acelerar) o veículo.
Contudo, em vias expressas e estradas o parâmetro determinante no consumo de energia é a aerodinâmica. Por outro lado, o calor a ser dissipado nos radiadores é extremamente reduzido em comparação com veículos de combustão interna, o que permite áreas menores de tomadas de ar e perfil mais baixo.
Estes elementos tornam o projeto aerodinâmico destes veículos uma área vibrante e promissora com fator de competitividade no mercado. A Red Bull Racing utiliza estas análises com maestria para alcançar o lugar mais alto do pódio na Fórmula 1.
Iluminação automotiva
Junto com as inovações em eletrificação dos veículos, novas tecnologias em iluminação automotiva vem para mudar o design do veículo como nunca vimos. Tecnologias de faróis LED, OLED, farol inteligente com iluminação adaptativa e painéis digitais são novas tendências do mercado. Notam-se designs cada vez mais arrojados e diferentes dos usuais quando começamos a entrar na nova geração de veículos, trazendo consigo novos desafios em iluminação exterior e interior automotivo.
Aparência e design do produto final combinados com eficiência energética e performance óptica são alguns dos grandes desafios encontrados em projetos de iluminação, junto com o atendimento a normas governamentais e especificações internas de montadoras.
Simulação de aparência em faróis
Além disso, todos os testes de validação como vibração mecânica, confiabilidade eletrônica e condensação de lente continuam sendo desafios na etapa de projeto. Dentro do ambiente virtual é possível abordar todos estes temas de maneira mais rápida. Acesse mais detalhes no nosso webinar:
