Unidades de propulsão elétrica integradas

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

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 padronizados. Um fornecedor pode chamar um conjunto de motor e caixa redutora de eixo elétrico, enquanto outro usa o mesmo termo somente quando o inversor e o diferencial estão incluídos.

A cadeia funcional permanece a mesma:

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

A integração altera a localização física desses limites. Ela não elimina as funções subjacentes.

Vantagens elétricas e de instalação

Montar o inversor próximo ao motor encurta as conexões 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. Carcaças e paredes estruturais compartilhadas podem reduzir o volume ocupado e eliminar suportes duplicados.

A propulsão de quinta geração da BMW combina motor, eletrônica de potência e transmissão em uma única carcaça. 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 no nível do sistema.

Uma instalação compacta pode liberar espaço para células de bateria, geometria da suspensão, estrutura de impacto, cabine ou bagagem. As configurações coaxiais alinham o eixo 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 compartilhados

A integração permite projetar os caminhos térmicos em torno do sistema completo. Um circuito de água e glicol pode arrefecer o inversor e a carcaça 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 compartilhado pode eliminar componentes, mas cria requisitos de compatibilidade. O lubrificante precisa assegurar o contato das engrenagens, a vida útil dos rolamentos, o funcionamento da bomba, o isolamento elétrico, a compatibilidade com cobre e polímeros, o controle da aeração e uma viscosidade previsível em toda a faixa de temperaturas. As partículas metálicas de desgaste não podem alcançar distâncias de isolamento elétrico sensíveis.

Os sistemas de cárter seco utilizam uma bomba para recolher o óleo e fornecê-lo onde é necessário, em vez de manter as engrenagens rotativas profundamente imersas. Isso pode reduzir as perdas por agitação e melhorar o controle 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, eixos e correntes elétricas

Os rolamentos do motor suportam a alta 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 quais cargas compartilham um eixo ou uma carcaça. A expansão térmica, a rigidez da carcaça, a pré-carga, a lubrificação e o alinhamento de fabricação 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 eixo se descarregar através de um rolamento, arcos elétricos repetidos podem danificar as pistas e o lubrificante. Os engenheiros utilizam escovas de aterramento, caminhos condutores, rolamentos isolados ou híbridos, filtragem de modo comum, projeto dos enrolamentos e controle do inversor para gerenciar esse risco.

As vedações precisam manter o lubrificante dentro e a contaminação fora sem criar arrasto excessivo. Uma vedação que funciona bem em baixa velocidade pode gerar calor em rotações elevadas do motor; as variações de pressão e o óleo aerado tornam a tarefa ainda mais complexa.

O ruído e as vibrações são projetados no 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 carcaça ocupam partes diferentes, mas interativas, do espectro audível. Um motor mais silencioso pode revelar um assobio das engrenagens antes mascarado.

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 carcaça, os suportes e o lubrificante influenciam o som que chega à cabine.

A integração pode melhorar o ruído e as vibrações ao dar aos engenheiros controle sobre a estrutura completa. Ela também pode acoplar as fontes com maior intensidade por meio de uma carcaça compartilhada. Por isso, a simulação e os ensaios em dinamômetro precisam de modelos eletromagnéticos, estruturais, acústicos e de controle, em vez de metas isoladas para os 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 exige uma relação mais alta pode aumentar as perdas nas engrenagens ou nos rolamentos. Uma frequência de comutação que reduz os harmônicos do motor pode aumentar as perdas no inversor. Um óleo mais viscoso pode proteger as engrenagens sob carga e, ao mesmo tempo, aumentar as perdas por agitação a frio.

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

condução e comutação no inversor;
perdas eletromagnéticas no estator e no rotor;
engrenagens, rolamentos, vedações e agitação do óleo;
bombas de óleo e de líquido de arrefecimento;
eletrônica de controle e atuadores;
desacoplamentos de eixo ou travas de estacionamento quando estão engatados ou girando.

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 manutenção

Uma unidade integrada precisa suportar inversões de torque, impactos em guias transmitidos pelos eixos, contaminação da estrada, exposição a líquido de arrefecimento e óleo, vibrações, ciclos térmicos, excesso de rotação e falhas de alta tensão. As travas de estacionamento e as embreagens de desacoplamento acrescentam seus próprios casos de carga.

Menos conexões externas podem melhorar a confiabilidade. Uma carcaça compartilhada também pode tornar uma falha local mais cara de reparar se a estratégia de manutenção substituir o conjunto completo. A construção interna modular, a cobertura de diagnóstico, as provisões para manutenção de fluidos, a eletrônica de potência substituível e os planos de remanufatura determinam se a integração física também se torna integração da manutenção.

A segurança em caso de colisão precisa impedir a fratura da carcaça, a liberação de fluidos, a exposição da alta tensão e o torque descontrolado. O estado seguro do inversor e a tensão gerada em alta velocidade por um motor de ímãs permanentes continuam relevantes mesmo depois que o torque é desativado.

O que as especificações devem informar

Uma especificação útil da unidade de propulsão identifica os componentes incluídos e o limite de medição. Ela deve informar o tipo de motor, a tecnologia do inversor, a tensão CC, a relação de transmissão, o torque do motor e na 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 maneira justa.

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