Sistemas de dupla velocidade e enrolamento variável aprimoram eficiência de veículos elétricos
A busca incessante por maior desempenho e eficiência energética em veículos elétricos de bateria (BEV) impulsiona a inovação no design de trens de potência. Um estudo recente conduzido por pesquisadores da Universidade Chang’an e do Instituto de Comunicações de Zhejiang realizou uma comparação abrangente de três diferentes sistemas de propulsão para BEVs, revelando diferenças significativas no desempenho que podem influenciar as estratégias futuras de desenvolvimento de veículos. A pesquisa, publicada no Chinese Journal of Automotive Engineering, avalia sistemas de transmissão de uma única velocidade, de duas velocidades com transmissão mecânica automatizada (AMT) e de motor síncrono de ímã permanente (PMSM) com enrolamento variável, todos com parâmetros de veículo idênticos, oferecendo uma referência clara para as vantagens e limitações de cada configuração.
O estudo aborda um desafio crítico na indústria de BEVs: equilibrar as demandas frequentemente conflitantes de desempenho dinâmico e eficiência econômica. Embora as transmissões de uma única velocidade tenham se tornado o padrão de fato devido à sua simplicidade, baixo custo e alta eficiência mecânica, elas exigem um compromisso. Uma relação de transmissão fixa não pode otimizar simultaneamente o veículo para uma aceleração rápida a partir do repouso e uma condução eficiente em alta velocidade. Essa limitação surge porque o motor elétrico precisa operar em uma ampla gama de velocidades e torques, e uma relação de transmissão fixa significa que o motor opera frequentemente fora de sua zona de eficiência máxima, especialmente durante ciclos de condução urbana com paradas e arranques frequentes. Como resultado, apesar da eficiência inerente dos motores elétricos, uma parte significativa da energia da bateria pode ser perdida devido a uma operação subótima do motor, afetando diretamente a autonomia do veículo. Esse compromisso fundamental levou os fabricantes de automóveis a explorar soluções de trem de potência mais complexas para extrair cada possível ponto percentual de eficiência e desempenho.
A equipe de pesquisa, liderada por Liu Yongtao da Universidade Chang’an, selecionou um caminhão leve puramente elétrico de 4,5 toneladas como veículo de referência para sua análise. Essa escolha fornece um estudo de caso relevante, pois veículos comerciais têm requisitos rigorosos tanto para capacidade de carga útil quanto para autonomia operacional, tornando a eficiência primordial. O estudo concentrou-se em três sistemas de propulsão com um único motor para garantir uma comparação justa, isolando o impacto da tecnologia de transmissão e do motor. O primeiro sistema é a AMT convencional de uma única velocidade, que utiliza uma única redução de engrenagem fixa para conectar o motor às rodas. O segundo é uma AMT de duas velocidades, que incorpora uma transmissão de duas marchas que pode mudar de uma relação mais baixa para alto torque em baixas velocidades para uma relação mais alta para condução eficiente em altas velocidades. O terceiro sistema é um PMSM inovador com enrolamento variável, que mantém uma transmissão de uma única velocidade, mas possui um motor com duas configurações distintas de enrolamento do estator que podem ser comutadas eletronicamente.
O motor com enrolamento variável representa uma abordagem sofisticada para o mesmo problema. Em vez de alterar a relação de transmissão, ele altera as características elétricas fundamentais do próprio motor. No modo de “enrolamento completo”, o motor é otimizado para alta saída de torque em baixas e médias velocidades, ideal para partida e subida de aclives. No modo de “meio enrolamento”, o motor é reconfigurado para operação em alta velocidade, permitindo-lhe alcançar uma velocidade máxima mais alta e operar dentro de uma região de potência constante mais eficiente. Essa tecnologia efetivamente dá ao motor dois perfis de desempenho distintos em uma única unidade física, expandindo sua faixa de operação de alta eficiência sem a complexidade mecânica de uma transmissão de múltiplas velocidades. A comutação entre enrolamentos é projetada para ocorrer em milissegundos, minimizando qualquer interrupção na entrega de potência.
Para realizar uma comparação rigorosa e realista, os pesquisadores empregaram técnicas avançadas de otimização. Eles usaram o algoritmo genético de preservação de elite e a teoria da programação dinâmica para determinar as relações de transmissão ótimas para os sistemas AMT de uma e duas velocidades. Esse processo envolveu a simulação do desempenho do veículo no Ciclo de Teste de Veículos Comerciais Pesados da China (CHTC-LT), um ciclo de condução padronizado que inclui segmentos urbanos, suburbanos e de rodovia. O objetivo principal de otimização foi minimizar o consumo de energia do veículo por 100 quilômetros. Para o sistema de duas velocidades, essa otimização foi particularmente complexa, pois exigia não apenas encontrar as melhores relações de transmissão, mas também determinar a tabela de mudança ótima — os pontos precisos em que a transmissão deveria mudar de marcha para manter a eficiência mais alta possível. Da mesma forma, para o motor com enrolamento variável, a equipe teve que projetar a tabela de “comutação” ótima para quando mudar entre os modos de enrolamento completo e meio enrolamento.
Os resultados da simulação forneceram insights claros e acionáveis. Em termos de desempenho dinâmico, medido pelo tempo de aceleração de 0 a 50 km/h, o sistema AMT de duas velocidades emergiu como o líder absoluto. Superou o sistema de uma única velocidade em 2,63%, uma melhoria significativa para um veículo comercial. Essa vantagem decorre de sua capacidade de usar uma relação de primeira marcha muito curta, que maximiza a multiplicação do torque nas rodas para uma aceleração rápida. Os sistemas de uma única velocidade e de enrolamento variável, limitados por uma única relação de transmissão que também deve acomodar a velocidade máxima do veículo, não podem alcançar o mesmo nível de desempenho de partida. O sistema de enrolamento variável, embora ainda use uma transmissão de uma única velocidade, mostrou uma melhoria modesta de 1,38% na aceleração em relação ao sistema de referência de uma única velocidade. Esse ganho é atribuído à capacidade do motor de entregar torque mais alto em seu modo de enrolamento completo, fornecendo uma leve vantagem na resposta em baixas velocidades.
Os resultados para a eficiência econômica, no entanto, pintam um quadro diferente. Ao avaliar o consumo de energia durante o ciclo CHTC-LT, o sistema PMSM com enrolamento variável provou ser o mais eficiente, reduzindo o consumo de energia em 2,0% em comparação com o sistema de uma única velocidade. O sistema AMT de duas velocidades também mostrou uma melhoria, com uma redução de 0,6% no consumo. Essas descobertas destacam uma distinção crucial: o sistema de duas velocidades se destaca em maximizar o desempenho, enquanto o sistema de enrolamento variável é superior em maximizar a eficiência. A capacidade do motor com enrolamento variável de manter o motor operando em suas zonas de alta eficiência em uma ampla gama de velocidades lhe dá uma vantagem decisiva na minimização de perdas de energia. O sistema de duas velocidades melhora a eficiência permitindo que o motor opere em velocidades mais baixas para uma determinada velocidade do veículo na segunda marcha, mas esse benefício é menos pronunciado do que a expansão fundamental da eficiência alcançada pela tecnologia de enrolamento variável.
O estudo também fornece uma comparação direta entre os dois sistemas avançados. Enquanto a AMT de duas velocidades oferece a melhor aceleração, ela o faz a um custo energético mais alto. Por outro lado, o sistema de enrolamento variável alcança o consumo de energia mais baixo, mas não iguala o desempenho dinâmico do sistema de duas velocidades. O sistema de uma única velocidade, servindo como referência, teve o pior desempenho em ambas as categorias, confirmando as limitações de um trem de potência com relação fixa. Essa clara hierarquia de desempenho fornece orientação valiosa aos fabricantes de veículos. Para aplicações onde aceleração rápida e alto desempenho são primordiais — como carros de alto desempenho ou veículos comerciais orientados ao desempenho — a AMT de duas velocidades é a escolha ideal. Sua complexidade mecânica e custo são justificados pela melhoria significativa no desempenho. Para aplicações onde maximizar a autonomia e minimizar os custos operacionais são as principais prioridades — como caminhões de entrega de longa distância ou frotas de veículos — o sistema de motor com enrolamento variável oferece o maior benefício.
As implicações dessa pesquisa vão além da comparação imediata desses três sistemas. Ela valida a eficácia do uso de algoritmos avançados de otimização, como a programação dinâmica, para projetar estratégias de controle para trens de potência complexos. O estudo demonstra que o desempenho de um sistema não é apenas uma função de seu hardware, mas também da inteligência de seu software de controle. As tabelas de mudança e comutação ideais são críticas para desbloquear todo o potencial tanto da transmissão de duas velocidades quanto do motor com enrolamento variável. Isso destaca uma tendência crescente na indústria automotiva, onde o software e os sistemas de controle estão se tornando tão importantes quanto a engenharia mecânica na definição das capacidades de um veículo.
Além disso, a pesquisa contribui para o debate em andamento sobre o futuro das transmissões para BEVs. Enquanto alguns especialistas da indústria argumentaram que a ampla faixa de velocidade dos motores elétricos torna desnecessárias as transmissões de múltiplas velocidades, este estudo fornece evidências empíricas de que elas podem oferecer benefícios tangíveis. A melhoria de 2,63% na aceleração é um argumento convincente para seu uso em veículos de alto desempenho. Ao mesmo tempo, o sucesso do motor com enrolamento variável sugere um caminho alternativo para melhorar a eficiência que evita o peso adicional, o custo e as preocupações potenciais de confiabilidade de uma transmissão mecânica. Essa tecnologia pode ser particularmente atraente para fabricantes que buscam melhorar a eficiência sem aumentar a complexidade mecânica de seus trens de potência.
As descobertas também têm implicações importantes para a análise de custo-benefício no desenvolvimento de veículos. Um sistema AMT de duas velocidades adiciona custo e complexidade por meio de engrenagens adicionais, sincronizadores e uma unidade de controle mais sofisticada. Um motor com enrolamento variável pode ter um custo de fabricação inicial mais alto devido ao seu projeto de estator mais complexo e circuito de comutação. Os resultados do estudo permitem que os fabricantes quantifiquem os ganhos de desempenho e eficiência de cada sistema, permitindo-lhes tomar decisões informadas com base em seu mercado-alvo e aplicação do veículo. Por exemplo, a economia de energia de 2,0% do sistema de enrolamento variável poderia se traduzir em um aumento significativo na autonomia ou uma redução no tamanho da bateria, potencialmente compensando seu custo de componente mais alto.
Em conclusão, a pesquisa de Liu Yongtao e seus colegas fornece uma análise robusta e detalhada dos trens de potência da próxima geração para BEVs. Ao comparar sistematicamente um sistema de uma única velocidade, de duas velocidades e de enrolamento variável sob condições idênticas, eles estabeleceram uma referência de desempenho clara. Seu trabalho demonstra que não existe uma solução única para trens de potência de BEVs. A escolha entre uma AMT de duas velocidades e um motor com enrolamento variável depende do objetivo de design primário: maximizar o desempenho dinâmico ou maximizar a eficiência energética. Essa compreensão matizada é essencial para engenheiros e designers enquanto navegam pelos complexos compromissos envolvidos na criação da próxima geração de veículos elétricos, que devem ser tanto potentes quanto eficientes para atender às demandas de um mercado em rápida evolução.
Liu Yongtao, Liu Yongjie, Gao Longxin, Zhou Zijia, Wang Zheng, Chen Yisong, Wang Taiqi, School of Automobile, Chang’an University, Zhejiang Institute of Communications, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095-1469.2024.02.10