Tecnologia revolucionária de boost por multiplexação de tração conecta veículos elétricos de alta tensão a estações de carga de baixa tensão
A indústria automobilística está passando por uma transformação sem precedentes, impulsionada pela necessidade de reduzir emissões de gases de efeito estufa e diminuir a dependência de combustíveis fósseis. Os veículos elétricos (VE) emergem como a alternativa mais promissora, mas seu desenvolvimento enfrenta um desafio crítico: a incompatibilidade entre arquiteturas de alta tensão (800 V) — que oferecem melhor desempenho e carregamento mais rápido — e a infraestrutura de carga existente, ainda dominada por estações de baixa tensão (400 V). Nesse contexto, um grupo de pesquisadores desenvolveu uma tecnologia inovadora que permite que veículos de alta tensão utilizem estações de carga convencionais, marcando um marco na evolução da mobilidade elétrica.
O desafio da transição para alta tensão
À medida que a escassez de energias fósseis e a degradação ambiental pioram, países ao redor do mundo buscam modos de vida mais sustentáveis. Os veículos elétricos, como pilar da transição energética e da mobilidade de baixo carbono, têm recebido apoio político significativo, especialmente na China, onde o governo destacou que são o caminho obrigatório para transformar o país em uma potência automobilística. No entanto, sua adoção massiva enfrenta obstáculos como autonomia limitada, dificuldade de recarga e lentidão nos processos de carregamento.
Para superar esses problemas, a indústria está migrando para arquiteturas de 800 V. Esses sistemas não apenas permitem carregar mais rápido, mas também melhoram a eficiência energética, aumentam a potência e reduzem o peso dos cabos, otimizando o design do veículo. Modelos como o Porsche Taycan, o Hyundai Ioniq 5, assim como fabricantes chineses como Xpeng, Li Auto, BYD e GAC, já lançaram veículos com essa tecnologia. No entanto, a infraestrutura de carga não avançou no mesmo ritmo: mais de 93,3% das estações de carga DC existentes operam com menos de 500 V. As estações de alta tensão exigem investimentos maiores na rede elétrica e têm custo de construção mais elevado, o que atrasa sua difusão. Portanto, o principal problema a resolver é garantir que as arquiteturas de alta tensão sejam compatíveis com estações de baixa tensão durante essa fase de transição.
Uma ideia brilhante: multiplexação do sistema de tração
Os pesquisadores se concentraram em uma observação chave: os sistemas de tração e de carga de um veículo elétrico não operam simultaneamente. Enquanto o veículo está em movimento, o sistema de tração (motor e controlador) está ativo, e o sistema de carga está inativo; quando parado para recarregar, o oposto ocorre. Essa característica permitiu projetar uma solução que reutiliza componentes do sistema de tração para atuar como um elevador de tensão durante a carga, eliminando a necessidade de um carregador on-board separado e reduzindo custos, peso e espaço no veículo.
A tecnologia proposta transforma o motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM) e seu inversor em um conversor Boost de alta potência no modo de carga. Especificamente, as bobinas do motor funcionam como indutores de armazenamento de energia, enquanto o controlador do inversor do motor é reutilizado como controlador de chave de chopper. Ao adicionar apenas dois interruptores relé e alguns componentes passivos, o sistema pode alternar sem problemas entre os modos de condução e carga.
No modo de carga, o sistema opera como um circuito Boost trifásico interleaved (em paralelo entrelaçado). Essa configuração permite a conversão eficiente da tensão de saída da estação de carga (450 V) para a tensão necessária pela bateria de alta tensão do veículo (880 V). O uso da tecnologia interleaved ajuda a minimizar a ondulação de corrente, garantindo uma transferência de energia estável e eficiente.
Superando obstáculos técnicos: modelagem e controle
Um desafio central no desenvolvimento dessa tecnologia é entender e gerenciar as complexas características eletromagnéticas das bobinas do motor quando usadas como indutores. Os pesquisadores realizaram uma análise detalhada das relações de acoplamento entre as bobinas trifásicas de um motor síncrono de ímãs permanentes (PMSM) embutido, comumente utilizado em veículos elétricos.
Eles desenvolveram modelos matemáticos para descrever como a indutância de cada bobina de fase varia com a posição do rotor. Essa análise revelou que os valores de indutância apresentam variações periódicas, que podem afetar o desempenho do conversor Boost. Para resolver isso, a equipe introduziu uma indutância externa para compensar os efeitos negativos da indutância mútua entre as bobinas, garantindo um funcionamento consistente e confiável em todas as posições do rotor.
Igualmente crucial para o desempenho do sistema é a estratégia de controle. Os pesquisadores compararam métodos de controle tradicional de duplo laço (tensão e corrente) com uma abordagem mais avançada que combina controle PI (proporcional-integral) e controle preditivo baseado em modelo (MPC). O controle de duplo laço, embora eficaz em alguns cenários, apresenta limitações em termos de velocidade de resposta e complexidade na sintonia de parâmetros.
Em contraste, a estratégia de controle híbrido PI-MPC proposta ofereceu vantagens significativas. Mantendo o regulador PI no laço de tensão para garantir precisão em regime estacionário e incorporando o MPC no laço de corrente para melhorar a resposta dinâmica, o sistema alcançou um desempenho rápido e estável. O componente MPC prevê os estados futuros do sistema e seleciona as ações de comutação ótimas para minimizar a ondulação de corrente e manter a estabilidade de tensão, mesmo durante mudanças abruptas de carga ou flutuações na tensão de entrada.
Validação por simulação e experimentação
Para confirmar a eficácia de seu design, os pesquisadores realizaram simulações detalhadas usando o Simulink, com parâmetros baseados em um motor PMSM real. As simulações compararam o controle de duplo laço e a estratégia híbrida PI-MPC em diferentes posições do rotor, avaliando métricas como ondulação de corrente, tempo de resposta e estabilidade.
Os resultados mostraram que, em regime estacionário, ambas as estratégias mantêm ondulações baixas, mas em cenários dinâmicos (mudanças abruptas em carga ou tensão de entrada), a estratégia PI-MPC supera o controle de duplo laço. Por exemplo, quando a carga é reduzida repentinamente, o sistema com PI-MPC alcança a estabilidade em 8,66 ms, enquanto o controle de duplo laço leva 12,03 ms. Além disso, as sobretensões são menores, o que protege a bateria e os componentes.
Para validar esses resultados no mundo real, os pesquisadores construíram uma plataforma experimental de 50 kW, equipada com um motor PMSM de 250 kW, controlador de potência, indutância externa, banco de resistores e instrumentos de medição. Os parâmetros do experimento (tensão de entrada 250 V, saída 400 V) foram escolhidos para refletir condições realistas.
Os resultados experimentais confirmaram os achados das simulações: o sistema consegue uma elevação de tensão estável, com correntes equilibradas nas três fases e ondulação de entrada dentro de limites aceitáveis. A estratégia PI-MPC demonstrou novamente um desempenho superior em testes dinâmicos, com tempos de estabilização mais rápidos e flutuações de tensão menores durante mudanças de carga em comparação com o método de duplo laço.
Impacto na indústria automobilística e mobilidade sustentável
O desenvolvimento bem-sucedido dessa tecnologia de boost por multiplexação de tração tem impacto profundo na indústria de veículos elétricos. Ao permitir que veículos de alta tensão utilizem infraestrutura de carga de baixa tensão existente, remove uma barreira principal para a adoção de arquiteturas de VE avançadas. Isso pode acelerar a transição para veículos elétricos mais eficientes e com maior autonomia, sem exigir investimentos massivos em nova infraestrutura de carga.
A tecnologia também oferece vantagens econômicas significativas. Ao eliminar a necessidade de um carregador on-board separado, reduz custos, peso e espaço requerido para veículos elétricos. Isso pode tornar os veículos elétricos mais acessíveis e atraentes para consumidores, impulsionando ainda mais a penetração no mercado. Além disso, a melhor utilização de componentes e infraestruturas existentes melhora a sustentabilidade geral do ecossistema de mobilidade elétrica.
Além de veículos particulares, essa tecnologia pode ser aplicada em outros segmentos da mobilidade elétrica, como caminhões e ônibus comerciais, onde os desafios da infraestrutura de carga são ainda mais acentuados. Os princípios básicos de multiplexação de sistemas e conversão de energia eficiente também podem inspirar o desenvolvimento de outros sistemas de conversão de energia, contribuindo para esforços mais amplos de melhoria da eficiência energética e sustentabilidade.
Conclusão: rumo a uma mobilidade elétrica sem barreiras
À medida que o mercado de veículos elétricos continua a crescer e evoluir, a necessidade de interoperabilidade entre diferentes gerações de tecnologias torna-se cada vez mais importante. A tecnologia de boost por multiplexação de tração desenvolvida por essa equipe de pesquisadores representa um passo significativo para atender a essa necessidade, oferecendo uma solução prática, econômica e eficiente para o desafio de compatibilidade da infraestrutura de carga.
Os resultados de simulações e experimentos demonstram que o sistema funciona de forma confiável, com excelente desempenho em regime estacionário e resposta dinâmica. Isso não apenas beneficia fabricantes e consumidores, mas também contribui para o desenvolvimento de uma infraestrutura de carga mais sustentável e adaptável.
Conforme a indústria continua avançando hacia arquiteturas de maior tensão, soluções como essa serão cruciais para garantir uma transição fluida, inclusiva e eficiente. A mobilidade elétrica não dependerá apenas de veículos mais avançados, mas também de tecnologias que tornem a carga acessível para todos, em qualquer lugar.
Este trabalho foi realizado por Hou Wenbo, Yang Ping, Chen Ke, Qu Bo e Wu Wenrong, da Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Jiaotong do Sudoeste (Chengdu) e do Instituto de Pesquisa Científica de Eletricidade da China (Pequim). Seus resultados foram publicados na revista “Transactions of China Electrotechnical Society” (Vol. 39, Suplemento 1, dezembro de 2024) com DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L11033.