Nova Estratégia de Controle Impulsiona Conversores para Veículos Elétricos
No cenário em rápida evolução da mobilidade elétrica, a busca por sistemas de eletrónica de potência mais eficientes, responsivos e robustos nunca foi tão urgente. Uma recente descoberta de uma equipa de investigadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, em colaboração com a Universidade de Segurança Pública da China e a Beijing Nucleus Tongchuang Technology Co., Ltd., promete melhorar significativamente o desempenho de conversores bidirecionais DC-DC — um componente crítico nos sistemas de baixa tensão de veículos elétricos (VE).
Publicado no Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), o estudo introduz uma nova metodologia de controlo que combina controlo preditivo por modelo (MPC) com lógica fuzzy para ajustar dinamicamente parâmetros de ponderação em tempo real. Esta abordagem, denominada Controlo Preditivo por Modelo com Ponderação Fuzzy Variável (F-VMPC), aborda desafios de longa data na manutenção de uma tensão de saída estável e precisa durante mudanças abruptas de carga — cenários comuns na operação real de VEs, como durante aceleração rápida, travagem regenerativa ou ativação simultânea de múltiplos sistemas eletrónicos a bordo.
As estratégias de controlo tradicionais, incluindo os amplamente utilizados controladores Proporcional-Integral (PI) e até mesmo implementações convencionais de MPC, frequentemente lutam para equilibrar velocidade, estabilidade e sobressinal quando confrontadas com flutuações dinâmicas de carga. Embora os controladores PI sejam simples e confiáveis, tendem a exibir tempos de resposta lentos e sobressinais de tensão significativos sob mudanças súbitas de carga. O MPC convencional melhora isto ao aproveitar modelos preditivos para antecipar o comportamento do sistema, mas o seu desempenho depende fortemente de parâmetros de ponderação fixos na função de custo — parâmetros que são tipicamente sintonizados offline e não se podem adaptar a condições operacionais em tempo real.
A inovação apresentada por Ma Bin, Shi Yongle, Chai Haonan, Jiang Wenlong e Chen Yong reside no reconhecimento de que a ponderação ideal entre o erro de rastreamento de tensão e o esforço de controlo não é estática — ela deve evoluir com o estado do sistema. Ao integrar um sistema de inferência fuzzy que avalia continuamente a tensão de entrada e a magnitude do desvio da tensão de saída, o controlador F-VMPC recalibra dinamicamente o peso atribuído à entrada de controlo (ajuste do ciclo de trabalho) dentro do quadro de otimização do MPC.
Esta adaptação em tempo real permite que o conversor responda com uma agilidade sem precedentes. Em estudos de simulação conduzidos usando MATLAB/Simulink, o controlador F-VMPC demonstrou uma notável redução média de 26,1% no sobressinal de tensão em comparação com o MPC padrão quando sujeito a mudanças escalonadas na resistência de carga — de 70 Ω para 10 Ω e 40 Ω. Mais impressionante, num caso de teste envolvendo uma queda de 70 Ω para 40 Ω, o sistema F-VMPC exibiu virtualmente nenhum sobressinal (apenas 0,01 V), enquanto o controlador PI produziu um pico de 0,4 V e o MPC convencional ainda mostrou um desvio de 0,16 V.
Para além da supressão do sobressinal, o novo método também reduz o tempo de estabilização. Em múltiplos cenários dinâmicos — incluindo tanto aumentos de carga (loading) como diminuições (unloading) — o F-VMPC alcançou consistentemente a estabilização da tensão alvo em aproximadamente 0,2 milissegundos, superando os controladores PI que necessitaram de até 2,7 ms em casos extremos. Mesmo comparado com o MPC convencional, que já oferece uma resposta mais rápida que o PI, o F-VMPC reduziu frações críticas de um milissegundo, traduzindo-se numa entrega de energia mais suave e numa confiabilidade do sistema melhorada.
Os investigadores validaram a sua abordagem não apenas através de simulações extensivas, mas também através de uma plataforma experimental física construída em torno de um sistema de controlo em tempo real HM-cSPACE. A configuração de hardware incluiu um protótipo de conversor bidirecional DC-DC de dois interruptores controlado por um microcontrolador STM32F030K6T6, operando a uma frequência de comutação de 200 kHz. Testes do mundo real — como escalonar a carga de 40 Ω para 30 Ω ou 20 Ω — confirmaram os resultados da simulação: o controlador F-VMPC atingiu a tensão de saída desejada mais rapidamente e com menor erro de estado estacionário do que o benchmark de PI.
Este avanço tem implicações significativas para o ecossistema mais amplo de VEs. Os veículos elétricos modernos dependem de uma complexa variedade de sistemas de baixa tensão — variando de sistemas de infoentretenimento e iluminação a sistemas avançados de assistência ao condutor (ADAS) e unidades de controlo eletrónicas (ECUs) — todos alimentados através de uma rede auxiliar de 12 V ou 24 V. O conversor DC-DC atua como a ponte entre a bateria de tração de alta tensão (tipicamente 400 V ou 800 V) e este domínio de baixa tensão. Qualquer instabilidade neste processo de conversão pode levar a quedas de tensão, brownouts ou picos transitórios que podem perturbar a eletrónica sensível ou mesmo desencadear desligamentos críticos de segurança.
Ao garantir uma regulação de tensão mais apertada sob condições dinâmicas, o método F-VMPC melhora não apenas o desempenho, mas também a segurança funcional e a experiência do utilizador. Por exemplo, durante a travagem regenerativa, quando a energia flui de volta do motor para a bateria através do conversor bidirecional em modo boost, o sistema deve gerir surtos súbitos de corrente sem desestabilizar o barramento de baixa tensão. Da mesma forma, quando múltiplos acessórios de alta potência (como assentos aquecidos, compressores de ar condicionado ou sensores de radar) são ativados simultaneamente, o conversor deve responder instantaneamente para evitar quedas de tensão.
Além disso, a estratégia de controlo proposta alinha-se com as tendências da indústria no sentido da eletrónica de potência definida por software. À medida que os fabricantes automóveis adotam cada vez mais atualizações over-the-air (OTA) e sistemas de controlo de veículos adaptativos, a capacidade de implementar algoritmos inteligentes e de autossintonização como o F-VMPC torna-se uma vantagem estratégica. Ao contrário de métodos que requerem uma otimização online computacionalmente intensiva (como a otimização por enxame de partículas, que os autores notam poder dificultar a execução em tempo real), o ajuste de peso baseado em lógica fuzzy no F-VMPC é leve e adequado para implementação em microcontroladores automóveis padrão.
A escolha da equipa de investigação por um modelo fuzzy Takagi-Sugeno sublinha ainda mais o seu pragmatismo de engenharia. Este sistema de inferência fuzzy de primeira ordem fornece um bom equilíbrio entre precisão de aproximação e simplicidade computacional, tornando-o bem adequado para aplicações de controlo embarcado onde os recursos de processamento e memória são limitados.
De uma perspetiva de design, a estrutura F-VMPC é também altamente modular. O motor central de MPC permanece inalterado; apenas o parâmetro de peso é modulado pela camada fuzzy. Isto significa que os designs de conversores baseados em MPC existentes poderiam potencialmente ser atualizados com uma sobrecarga arquitetural mínima — simplesmente integrando o regulador fuzzy como um módulo supervisor.
Olhando para o futuro, a metodologia poderia ser estendida para além de conversores bidirecionais DC-DC. O princípio da ponderação adaptativa baseada em estados do sistema em tempo real é amplamente aplicável a outros sistemas de eletrónica de potência, incluindo inversores para acionamentos de motores, carregadores a bordo e até mesmo interfaces de energia renovável ligados à rede. Na verdade, os autores sugerem este potencial na sua conclusão, notando que a sua abordagem fornece uma base teórica para otimizar o controlo numa variedade de cenários dinâmicos de conversão de energia.
Especialistas da indústria antecipam que inovações como o F-VMPC desempenharão um papel pivotal nas arquiteturas de VE de próxima geração, particularmente à medida que os veículos se tornam mais eletrificados e centrados em software. Com os fabricantes automóveis globais a competirem para melhorar a eficiência energética, estender a autonomia e aumentar a confiabilidade, mesmo ganhos marginais no desempenho da eletrónica de potência podem gerar benefícios substanciais a nível de sistema.
A publicação deste trabalho no Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science) realça a crescente contribuição das instituições de investigação chinesas para o avanço global da eletrificação automóvel. A colaboração multidisciplinar da equipa — abrangendo engenharia electromecânica, laboratórios de veículos de nova energia e tecnologia de segurança pública — reflete a natureza integrativa da investigação moderna em transportes.
À medida que os veículos elétricos continuam a dominar os planos automóveis em todo o mundo, a procura por soluções de gestão de energia mais inteligentes e resilientes só se intensificará. A estratégia de controlo F-VMPC representa um passo significativo nessa jornada — oferecendo uma solução prática, eficaz e implementável para um desafio de engenharia persistente. Para engenheiros automóveis, designers de eletrónica de potência e desenvolvedores de VEs, esta investigação fornece não apenas um novo algoritmo, mas um novo paradigma para pensar sobre o controlo adaptativo em sistemas de energia dinâmicos.
Autores: Ma Bin¹,²,³, Shi Yongle¹, Chai Haonan⁴, Jiang Wenlong⁵, Chen Yong¹,²,³
Afiliações:
¹ Escola de Engenharia Mecânica e Elétrica, Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, Pequim 100192, China
² Laboratório de Veículos de Nova Energia de Pequim, Pequim 100192, China
³ Centro de Inovação Colaborativa de Elétrica de Pequim, Pequim 100192, China
⁴ Beijing Nucleus Tongchuang Technology Co., Ltd., Pequim 100192, China
⁵ Escola de Gestão de Ordem Pública e Tráfego, Universidade de Segurança Pública da China, Pequim 100038, China
Publicado em: Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2024, Vol. 38, No. 7, pp. 12–20
DOI: 10.3969/j.issn.1674-8425(z).2024.07.002