Deformação no duto de ar quente: causa está no software
No mundo em constante evolução da mobilidade elétrica, onde inovação e confiabilidade devem andar lado a lado, até os sistemas mais avançados podem enfrentar desafios inesperados. Um caso recente, surgido da análise de um componente aparentemente secundário — o duto de ar quente em um sistema de ar-condicionado por bomba de calor de expansão direta — transformou-se em um exemplo emblemático de como um problema físico pode ter sua origem profundamente enraizada na lógica de controle, e não em uma falha de hardware.
Este caso, investigado por engenheiros da Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd., começou como uma reclamação esporádica de clientes sobre a deformação do duto de aquecimento em um veículo elétrico (VE). O que parecia ser um defeito isolado evoluiu para uma análise técnica abrangente que identificou a causa raiz não em um componente defeituoso, mas em uma estratégia de software desatualizada. Esse achado não apenas resolveu um problema específico, mas também estabeleceu um precedente importante para a diagnóstico de falhas em sistemas de gerenciamento térmico de veículos modernos.
Com a crescente adoção de veículos elétricos em todo o mundo, os subsistemas de climatização estão sob intensa escrutínio. Nesse contexto, o sistema de bomba de calor emergiu como uma tecnologia crítica para melhorar a eficiência energética e aumentar a autonomia, especialmente em climas frios. Dados do mercado chinês, um dos maiores do setor, mostram que a taxa de penetração de bombas de calor em veículos novos de energia alternativa saltou de 11% em 2020 para 38% em 2022. Esse crescimento expressivo reflete uma dependência crescente dessa tecnologia, mas também traz uma responsabilidade maior quanto à confiabilidade e consistência do desempenho ao longo do tempo.
Apesar da crescente prevalência de sistemas de bomba de calor, análises detalhadas de falhas em campo ainda são raras na literatura técnica. A maioria dos estudos publicados foca em modelos teóricos, otimização de desempenho ou testes em laboratório. Investigações sobre falhas reais, especialmente aquelas que envolvem interações complexas entre hardware e software, raramente são documentadas em profundidade. Por isso, o estudo recente conduzido pela Jiangling é particularmente valioso — não apenas por resolver um problema específico, mas por demonstrar uma abordagem sistemática e metódica para o diagnóstico de falhas.
O objeto da investigação foi um sistema de ar-condicionado por bomba de calor de expansão direta instalado em um veículo elétrico de produção em massa. Diferentemente dos sistemas indiretos, que utilizam um circuito secundário de fluido refrigerante, os sistemas de expansão direta conduzem o refrigerante diretamente pela unidade interna, o que permite maior eficiência e resposta térmica mais rápida. O sistema inclui componentes-chave como um compressor de velocidade variável, válvula de expansão eletrônica, condensador interno (usado para aquecimento), trocador de calor externo e um aquecedor de alta tensão com coeficiente de temperatura positiva (PTC), que complementa a saída de aquecimento durante temperaturas extremas ou na fase de aquecimento inicial do sistema.
O aquecedor PTC desempenha um papel crucial na garantia do conforto da cabine quando a temperatura ambiente cai abaixo da faixa operacional ideal da bomba de calor. Ele é tipicamente ativado durante a partida a frio ou quando o ciclo do refrigerante não consegue atender à demanda de aquecimento sozinho. Como os aquecedores PTC geram calor por resistência elétrica, podem atingir temperaturas superficiais muito altas — frequentemente acima de 150°C — o que torna o gerenciamento térmico na área de instalação essencial.
Neste caso específico, um pequeno número de veículos começou a retornar aos centros de serviço com relatos de deformação visível na carcaça plástica ao redor do duto de ar quente próximo à saída do PTC. Técnicos observaram que o material do duto havia amolecido e se deformado, com alguns casos mostrando descoloração em componentes adjacentes, como as vedações da porta misturadora de ar. Embora o problema não comprometesse a segurança imediata ou a funcionalidade, ele levantou preocupações sobre durabilidade a longo prazo, satisfação do cliente e o potencial de escalonamento se não fosse resolvido.
As suposições iniciais apontavam para falha de material ou contaminação ambiental. Seria possível que a carcaça plástica tivesse sido fabricada com resina de baixa qualidade? Haveria a possibilidade de detritos estranhos entrarem no duto e se incendiarem? Ou talvez uma falha mecânica no motor do ventilador ou no módulo de controle do fluxo de ar tivesse causado um superaquecimento localizado?
Para responder a essas questões de forma metódica, a equipe de engenharia liderada por Hu Chaochang empregou a Análise da Árvore de Falhas (FTA), uma abordagem dedutiva de cima para baixo amplamente utilizada em indústrias críticas para segurança, para identificar todas as causas possíveis de um modo de falha. A FTA permitiu à equipe decompor o sintoma observado — a deformação do duto — em uma estrutura hierárquica de fatores contribuintes potenciais, desde falhas eletrônicas até propriedades do material e influências ambientais.
A primeira ramificação da árvore de falhas examinou a possibilidade de mau funcionamento do controlador. A unidade de controle do ar-condicionado (ACCU) é responsável por gerenciar todo o sistema térmico, incluindo velocidade do compressor, fluxo de refrigerante, operação do ventilador e ativação do PTC. Se a ACCU falhasse em desligar o aquecedor PTC no momento apropriado, o aquecimento prolongado poderia levar a um acúmulo excessivo de temperatura. Para testar essa hipótese, a equipe realizou testes em bancada com o controlador da unidade defeituosa, simulando vários cenários operacionais. Nenhuma anomalia foi detectada na execução do comando ou na saída do sinal. O controlador respondeu corretamente ao feedback de temperatura e emitiu comandos de desligamento conforme esperado. Isso descartou uma falha de hardware no controlador.
Em seguida, a equipe voltou sua atenção para o conjunto HVAC em si. Vários componentes internos poderiam teoricamente contribuir para o superaquecimento. A porta misturadora, que direciona o fluxo de ar entre o trocador de calor e os canais de desvio, poderia ter ficado presa em uma posição que bloqueasse o ar aquecido de sair do sistema. Alternativamente, uma falha no motor do ventilador ou em seu módulo de controle de velocidade poderia ter resultando em zero fluxo de ar enquanto o PTC permanecia ativo — uma condição conhecida como “funcionamento a seco”, que pode elevar rapidamente as temperaturas além dos limites seguros.
Cada uma dessas possibilidades foi testada rigorosamente. O conjunto HVAC foi removido do veículo e montado em um banco de testes que replicava condições operacionais do mundo real. O movimento e o feedback de posição da porta misturadora foram verificados em múltiplos ciclos, sem mostrar sinais de travamento ou calibração incorreta. O motor do ventilador foi operado em todas as sete velocidades por 1,5 hora em cada configuração, com monitoramento contínuo do consumo de corrente, saída de fluxo de ar e aumento de temperatura. Nenhuma degradação ou falha foi observada. Da mesma forma, o módulo de controle de velocidade manteve um desempenho estável durante toda a sequência de testes.
Uma possibilidade mais sutil envolvia o sensor de temperatura do PTC. Este componente fornece feedback em tempo real à ACCU sobre a temperatura do ar de saída, permitindo um controle em malha fechada. Se o sensor falhasse — por circuito aberto, curto-circuito ou valores de resistência imprecisos — poderia induzir o controlador a acreditar que o sistema estava mais frio do que realmente estava, levando a um aquecimento contínuo. Para avaliar isso, a equipe mediu a resistência do sensor à temperatura ambiente e a encontrou dentro da especificação (7,45 kΩ, comparado a uma média de amostragem de 7,40 kΩ). Mais importante ainda, submeteram tanto o sensor defeituoso quanto unidades novas conhecidas a temperaturas elevadas em uma câmara controlada, aumentando de 70°C para 120°C em incrementos de 5 graus. Em cada intervalo, os valores de resistência permaneceram consistentes com as curvas esperadas de termistor, indicando nenhuma deriva ou falha sob estresse térmico.
Com todos os componentes de hardware sistematicamente descartados, a investigação mudou para fatores externos. Poderia haver uma fonte externa de fogo, como um cigarro aceso ou detritos, que tenha se incendiado dentro do duto? A inspeção visual revelou descoloração e amolecimento consistente com exposição prolongada ao calor, mas não houve sinais de queima, cinzas ou perda estrutural — apenas o amarelamento observado nas unidades de campo. Para confirmar, a equipe realizou um teste de queima controlado em uma amostra do material da vedação da porta misturadora, feito de elastômero termoplástico. Quando exposto à chama, o material escureceu e foi consumido progressivamente, diferente do amarelamento observado nos veículos. Isso confirmou que a descoloração era devida ao envelhecimento térmico, não à combustão, eliminando efetivamente o fogo como causa.
Outra hipótese era que o próprio material da carcaça do HVAC não possuía resistência térmica suficiente. A carcaça é tipicamente feita de polipropileno (PP) ou uma variante modificada para uso automotivo. Embora o PP padrão comece a amolecer em torno de 130°C, materiais de grau automotivo frequentemente incluem reforços ou estabilizadores para estender seu intervalo de uso. Para avaliar isso, a equipe colocou o conjunto HVAC em uma câmara ambiental e o submeteu a temperaturas sustentadas de 100°C, 115°C, 130°C e 140°C por duas horas cada. Nenhuma deformação ocorreu, mesmo na configuração mais alta. Isso demonstrou que o material era capaz de suportar temperaturas bem acima das condições normais de operação, estreitando ainda mais o escopo da investigação.
Neste ponto, todas as causas plausíveis de hardware e ambientais haviam sido eliminadas. A única ramificação restante da árvore de falhas apontava para a lógica de software — especificamente, a estratégia de controle embutida no firmware da ACCU. Essa foi uma mudança significativa de foco, já que problemas relacionados ao software são mais difíceis de detectar e exigem ferramentas de diagnóstico mais profundas.
Ao recuperar a versão do software do controlador do veículo defeituoso, a equipe descobriu que ele estava executando uma versão de calibração inicial, rotulada como A03. Essa versão fazia parte do lançamento inicial de produção e desde então foi superada por uma versão mais nova, A06, que incluía várias refinamentos no gerenciamento térmico.
Uma análise comparativa revelou diferenças críticas. Na versão A03, a lógica de desligamento do PTC dependia de uma redução gradual, em rampa, da potência assim que a temperatura de saída alvo era atingida. Além disso, o limite de proteção contra sobrecarga térmica era definido em 120°C — um valor relativamente alto considerando a proximidade de componentes plásticos. Mais importante ainda, quando o sistema era desligado, o ventilador parava imediatamente, deixando o calor residual preso no duto.
Em contraste, a versão atualizada A06 introduziu três melhorias principais: (1) uma estratégia mais agressiva de redução de potência ao atingir a temperatura máxima de saída, (2) um limite de corte de sobrecarga térmica reduzido para 100°C, e (3) uma sequência de desligamento do ventilador com atraso. Especificamente, quando o sistema era desligado, o ventilador continuaria funcionando na velocidade 3 por 15 segundos após a desativação do PTC, permitindo que o calor residual fosse expulso do duto.
Para validar o impacto dessas mudanças, a equipe realizou um teste lado a lado. Instalaram o controlador A03 em um veículo de teste e monitoraram a temperatura de saída do PTC usando dois termopares colocados dentro do duto. Quando o sistema atingiu sua temperatura máxima alvo e foi desligado, a temperatura máxima registrada após o desligamento atingiu 165°C — exatamente correspondendo ao ponto de fusão do material da carcaça baseada em PP (PP-TD20), que amolece em torno de 155°C e tem uma temperatura máxima de uso contínuo de 140°C.
Na mesma configuração de teste com o controlador A06, a temperatura máxima após o desligamento foi limitada a 102°C, bem dentro da faixa segura do material. A operação do ventilador com atraso dissipou eficazmente o calor residual, evitando a acumulação térmica.
Esse achado foi conclusivo. A causa raiz da deformação do duto não foi um defeito em materiais, montagem ou componentes individuais, mas sim uma estratégia de controle de software desatualizada que permitia um acúmulo térmico excessivo durante o desligamento do sistema. Embora a versão A03 funcionasse adequadamente sob operação normal, sua falta de lógica robusta de resfriamento pós-ciclo criava um risco latente sob condições específicas — particularmente após ciclos prolongados de aquecimento seguidos por desligamento abrupto.
Armados com esse conhecimento, o fabricante iniciou uma ação de campo. Uma auditoria de versão de software foi realizada em todos os veículos equipados com o sistema de bomba de calor afetado. Unidades ainda executando o firmware A03 foram identificadas e programadas para atualizações via OTA (over-the-air) ou em concessionárias para a versão A06. Nenhuma substituição de hardware foi necessária, minimizando custos e inconvenientes para o cliente.
As implicações desse caso vão além de um único modelo ou revisão de software. Ele destaca a crescente complexidade dos sistemas automotivos modernos, onde o software não é mais um componente periférico, mas um determinante central da confiabilidade. À medida que os veículos se tornam mais eletrificados e conectados, a interação entre algoritmos de controle e componentes físicos só intensificará. Um pequeno atraso no desligamento do ventilador ou um limite de temperatura ligeiramente mais alto pode ter efeitos em cascata na durabilidade do material e na integridade do sistema.
Além disso, este caso demonstra a importância do monitoramento proativo no campo e de mecanismos de resposta rápida. A detecção precoce de problemas sutis — como leve descoloração ou leve deformação — pode prevenir campanhas de recall em larga escala ou danos à reputação. Também demonstra o valor de metodologias de diagnóstico estruturadas como a FTA, que permitem aos engenheiros navegar por paisagens complexas de falhas sem saltar para conclusões precipitadas.
Para a indústria de VE em geral, este caso serve como um alerta e um exemplo de boas práticas. À medida que a adoção de bombas de calor continua a aumentar, os fabricantes devem garantir que suas estratégias de controle não sejam apenas eficientes, mas também conservadoras termicamente, especialmente em regiões com invernos extremos. A modelagem térmica e a validação no mundo real devem incluir não apenas o desempenho em regime permanente, mas também os comportamentos transitórios durante as fases de partida e desligamento.
Além disso, o gerenciamento do ciclo de vida do software embutido deve evoluir. Assim como os veículos recebem recalls de hardware, eles podem cada vez mais exigir revisões de software para abordar interações imprevistas ou efeitos de envelhecimento. Os recursos de atualização via OTA, agora padrão na maioria dos novos VEs, fornecem uma ferramenta poderosa para essas intervenções, permitindo a implantação rápida de correções sem visitas físicas ao serviço.
Em conclusão, a resolução do problema de deformação do duto de ar quente no sistema de bomba de calor de expansão direta da Jiangling exemplifica o tipo de pensamento meticuloso e baseado em sistemas exigido na engenharia automotiva moderna. O que parecia ser um defeito de material ou mecânico foi finalmente rastreado até um parâmetro de controle de software — um lembrete de que na era dos veículos inteligentes, a linha entre hardware e software está cada vez mais borrada. Ao aplicar métodos analíticos rigorosos e abraçar a melhoria contínua, os fabricantes de automóveis podem melhorar tanto o desempenho quanto a longevidade de seus sistemas térmicos, garantindo que conforto e confiabilidade andem lado a lado.
Hu Chaochang, Wenkui Zhao, Jin Wu, Liwei Chen, Xiyu Ren, Shuyou Liu, Jiangxi Jiangling Group New Energy Vehicle Co., Ltd., Refrigeration, doi: 10.3969/J.ISSN.1005-9180.2024.03.0016