Unidades de propulsão elétrica integradas

Uma unidade de propulsão elétrica integrada reúne várias funções de propulsão num único conjunto. No mínimo, combina um motor de tração e uma engrenagem redutora; um eixo elétrico altamente integrado também pode incluir o inversor, o diferencial, o bloqueio de estacionamento, a lubrificação, as bombas, os canais de arrefecimento, os sensores e a eletrónica de controlo.

O que significa integração

Os termos eixo elétrico, unidade de propulsão elétrica, módulo de propulsão elétrica e unidade de propulsão integrada não correspondem a limites de produto normalizados. Um fornecedor pode chamar eixo elétrico a um conjunto de motor e caixa redutora, enquanto outro só utiliza o mesmo termo quando o inversor e o diferencial estão incluídos.

A cadeia funcional mantém-se:

a corrente contínua de alta tensão chega ao inversor;
a corrente de fase controlada cria binário no motor;
as engrenagens redutoras trocam velocidade do motor por binário à saída;
um diferencial ou caminhos de engrenagens separados distribuem o binário às rodas;
os rolamentos, a lubrificação, o arrefecimento, os sensores e o software mantêm o conjunto dentro dos limites de funcionamento.

A integração altera a localização física destes limites. Não elimina as funções subjacentes.

Vantagens de instalação e elétricas

Montar o inversor perto do motor encurta as ligações de CA de alta corrente. Barramentos curtos ou condutores internos podem reduzir a massa de cabos, a resistência, a indutância, as emissões eletromagnéticas, os conectores e as etapas de montagem. Caixas e paredes estruturais partilhadas podem reduzir o volume ocupado e eliminar suportes duplicados.

A propulsão de quinta geração da BMW combina motor, eletrónica de potência e transmissão numa única caixa. A Bosch descreve um eAxle que combina as mesmas três funções principais, enquanto a plataforma modular da ZF também trata o software e, quando necessário, um conversor como elementos constituintes ao nível do sistema.

Uma instalação compacta pode libertar espaço para células de bateria, geometria da suspensão, estrutura de colisão, habitáculo ou bagagem. As configurações coaxiais alinham o veio do motor, as engrenagens, o diferencial e os semieixos, enquanto as configurações de eixos paralelos deslocam o motor para se adaptar à altura do eixo e ao espaço disponível. Nenhuma é inerentemente mais eficiente; os engrenamentos, as cargas nos rolamentos, a relação, o arrefecimento e as limitações de espaço determinam o resultado.

Arrefecimento e lubrificação partilhados

A integração permite conceber os percursos térmicos em torno do sistema completo. Um circuito de água e glicol pode arrefecer o inversor e a caixa do estator, enquanto o óleo lubrifica engrenagens e rolamentos e arrefece diretamente os enrolamentos ou o rotor. O calor pode ser trocado entre o óleo, o líquido de arrefecimento, o fluido refrigerante e o sistema térmico geral do veículo.

Um fluido partilhado pode eliminar componentes, mas cria requisitos de compatibilidade. O lubrificante tem de assegurar o contacto das engrenagens, a vida útil dos rolamentos, o funcionamento da bomba, o isolamento elétrico, a compatibilidade com cobre e polímeros, o controlo do arejamento e uma viscosidade previsível em toda a gama de temperaturas. As partículas metálicas de desgaste não podem chegar a distâncias de isolamento elétrico sensíveis.

Os sistemas de cárter seco utilizam uma bomba para recolher o óleo e o fornecer onde é necessário, em vez de manter as engrenagens rotativas profundamente imersas. Isto pode reduzir as perdas por agitação e melhorar o controlo do arrefecimento, mas a potência da bomba, a filtragem, as válvulas e a gestão de falhas passam a fazer parte da eficiência e durabilidade da unidade de propulsão.

Rolamentos, veios e correntes elétricas

Os rolamentos do motor suportam a elevada velocidade do rotor e mantêm um entreferro estreito, enquanto os rolamentos da caixa redutora e do diferencial suportam as forças de separação das engrenagens e as cargas das rodas. A arquitetura determina que cargas partilham um veio ou uma caixa. A expansão térmica, a rigidez da caixa, a pré-carga, a lubrificação e o alinhamento de fabrico afetam o atrito, o ruído e a vida útil.

A comutação do inversor pode criar tensão de modo comum entre o rotor e o estator. Se a tensão do veio se descarregar através de um rolamento, arcos elétricos repetidos podem danificar as pistas e o lubrificante. Os engenheiros utilizam escovas de ligação à terra, caminhos condutores, rolamentos isolados ou híbridos, filtragem de modo comum, conceção dos enrolamentos e controlo do inversor para gerir este risco.

Os vedantes têm de manter o lubrificante no interior e a contaminação no exterior sem criarem arrasto excessivo. Um vedante que funciona bem a baixa velocidade pode gerar calor a regimes elevados do motor; as variações de pressão e o óleo com ar tornam a tarefa ainda mais complexa.

O ruído e as vibrações são concebidos ao nível do sistema

As forças eletromagnéticas do motor, a comutação do inversor, a excitação do engrenamento, as frequências dos rolamentos, as bombas de óleo e as ressonâncias da caixa ocupam partes diferentes, mas interativas, do espectro audível. Um motor mais silencioso pode revelar um silvo das engrenagens anteriormente disfarçado.

As engrenagens helicoidais podem reduzir o acoplamento abrupto dos dentes, mas criam carga axial. A microgeometria dos dentes, o acabamento superficial, o apoio dos rolamentos, a segmentação do rotor, a estratégia de comutação, as nervuras da caixa, os apoios e o lubrificante influenciam o som que chega ao habitáculo.

A integração pode melhorar o ruído e as vibrações ao dar aos engenheiros controlo sobre a estrutura completa. Também pode acoplar as fontes com maior intensidade através de uma caixa partilhada. Por isso, a simulação e os ensaios em dinamómetro precisam de modelos eletromagnéticos, estruturais, acústicos e de controlo, em vez de objetivos isolados para componentes.

Eficiência e o perigo da otimização por componente

O motor mais eficiente não faz automaticamente parte da unidade de propulsão mais eficiente. Uma geometria de motor que necessita de uma relação mais elevada pode aumentar as perdas nas engrenagens ou nos rolamentos. Uma frequência de comutação que reduz os harmónicos do motor pode aumentar as perdas no inversor. Um óleo mais viscoso pode proteger as engrenagens sob carga e, simultaneamente, aumentar as perdas por agitação a frio.

A otimização do sistema avalia as perdas da bateria às rodas ao longo do ciclo de utilização previsto. As perdas relevantes incluem:

condução e comutação no inversor;
perdas eletromagnéticas no estator e no rotor;
engrenagens, rolamentos, vedantes e agitação do óleo;
bombas de óleo e de líquido de arrefecimento;
eletrónica de controlo e atuadores;
desacoplamentos de eixo ou bloqueios de estacionamento quando estão engrenados ou em rotação.

É por isso que os fornecedores apresentam cada vez mais o motor, o inversor, a transmissão, o arrefecimento e o software como um único produto calibrado.

Durabilidade, segurança e assistência

Uma unidade integrada tem de suportar inversões de binário, impactos em lancis transmitidos pelos veios, contaminação da estrada, exposição a líquido de arrefecimento e óleo, vibrações, ciclos térmicos, excesso de velocidade e falhas de alta tensão. Os bloqueios de estacionamento e as embraiagens de desacoplamento acrescentam os seus próprios casos de carga.

Menos ligações externas podem melhorar a fiabilidade. Uma caixa partilhada também pode tornar uma falha local mais cara de reparar se a estratégia de assistência substituir o conjunto completo. A construção interna modular, a cobertura de diagnóstico, as disposições para manutenção de fluidos, a eletrónica de potência substituível e os planos de refabrico determinam se a integração física também se torna integração da assistência.

A segurança em caso de colisão tem de impedir a fratura da caixa, a libertação de fluidos, a exposição da alta tensão e o binário descontrolado. O estado seguro do inversor e a tensão gerada a alta velocidade por um motor de ímanes permanentes continuam a ser relevantes mesmo depois de o binário ser desativado.

O que as especificações devem indicar

Uma especificação útil da unidade de propulsão identifica os componentes incluídos e o limite de medição. Deve indicar o tipo de motor, a tecnologia do inversor, a tensão CC, a relação da transmissão, o binário do motor e à saída, a potência de pico e contínua, a velocidade máxima do motor, o método de arrefecimento, a estratégia de lubrificação, a massa total e se a eficiência inclui o inversor e a caixa redutora.

Sem esse limite, os valores de densidade de potência e eficiência de diferentes fornecedores não podem ser comparados de forma justa.

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