Alguns dos novos veículos lançados recentemente por fabricantes de automóveis já incorporam um sistema elétrico atualizado com base na adição de uma bateria de 48 V. Há importantes motivos para essa decisão tecnológica e estratégica, alguns deles são discutidos nesse artigo.

Nos últimos anos, a inserção constante de novas funcionalidades e recursos eletrônicos fez com que os sistemas elétricos e as baterias de 12 V ficassem superados.

O novo sistema elétrico proposto não apenas acomoda todas as novas cargas elétricas, mas também permite que outros recursos e equipamentos maiores sejam adicionados. Como resultado espera-se um veículo mais seguro, conveniente e com maior desempenho. Os subsistemas eletrônicos alimentados pela fonte de 48 V têm a tarefa de oferecer essas melhorias.

A estratégia mais aceita entre os fabricantes considera um sistema elétrico automotivo com dois barramentos de energia: um deles suprido pela bateria de 12 V e outro pela bateria de 48 V. O sistema de 12 V deve alimentar os dispositivos de iluminação, entretenimento e cargas como limpadores, janelas, portas, assentos e espelhos. O sistema de 48 V suporta cargas pesadas, como o sistema de partida do motor, compressores de ar condicionado, controle ativo do chassi, super carregadores elétricos ou turbocompressores, além de várias bombas. No geral, a nova unidade de 48 V fornece uma potência extra de 10 kW com capacidade suficiente para lidar com futuros subsistemas e dispositivos úteis e desejáveis.

Apenas alguns dos veículos mais recentes possuem os novos barramentos de 48V. A Audi tem o modelo A6 com esse arranjo e a Fiat Chrysler implementou na sua picape RAM 1500, que tinha previsão para chegar ao Brasil em 2020 antes da pandemia da Covid-19. A Volkswagen e a Mercedes Benz em breve entregarão novos veículos com essa proposta. Os fabricantes dos EUA têm modelos em desenvolvimento; poderemos ver os novos recursos dos sistemas de 48 V surgirem gradualmente, veículo a veículo nos próximos anos.

A adição do novo sistema de 48 V não torna o veículo um híbrido ou totalmente elétrico. A maioria dos carros continuará a usar o motor de combustão interna padrão (ICE). Mas a potência adicional em 48V ajudará a melhorar a economia de combustível com um sistema de partida e parada revisado, além de turbocompressores elétricos mais eficientes.

Configuração do sistema
O sistema básico de dupla tensão c.c. é ilustrado na Figura 1. A bateria de chumbo-ácido de 12 V geralmente é montada sob o capô frontal do veículo, enquanto a bateria de 48 V, de íons de lítio, é localizada na parte traseira. O gerenciamento e o controle primário são realizados com um conversor c.c.-c.c. bidirecional que pode transferir energia entre as baterias. Um sistema é capaz de fornecer energia para complementar o outro ou uma das baterias pode também carregar a outra.

Figura 1: Representação esquemática do novo sistema elétrico automotivo de dupla tensão.

O conversor buck-boost c.c.-c.c. pode ser implementado com diferentes soluções, a principal candidata, entretanto, á o circuito integrado LM5170-Q1 da Texas Instruments. Nesse CI, particularmente, há um controlador de corrente bidirecional multifásico. Ele monitora e controla o fluxo de corrente entre os sistemas de 12 e 48 V. O CI da Texas também fornece regulagem de corrente bidirecional a 1% e proteção contra sobretensão.

Estratégias de carregamento
Veículos híbridos ou totalmente elétricos têm um sistema elétrico muito particular. O coração desses veículos é a bateria de alta tensão e o sistema de gerenciamento de bateria (BMS) que o acompanha. As baterias HV fornecem 400 a 800 V para alimentar os motores elétricos que tracionam o veículo.

O principal desafio técnico é entender e implementar um sistema eficaz de carregamento de bateria. Como primeiro passo, deve-se compreender as diferenças entre os carregadores on-board e os off-board, como as estações de carregamento interagem com os carregadores on-board e com os sistemas de gerenciamento de baterias de veículos elétricos. Questões como isolamento entre as partes do sistema também são particularmente importantes.

Todos os veículos elétricos têm um carregador a bordo (OBC, ou On-Board Charger). Esta unidade se conecta à rede c.a. e gera o a tensão c.c. para carregar as baterias. A fonte de c.a. pode estar em casa na garagem ou em uma estação de carregamento local. A tensão alternada doméstica pode ser de 127 V ou 220 V. Com a entrada em baixa tensão, o sistema pode levar de 12 a 17 horas para uma recarga completa. O uso de uma linha de 220 V disponível reduz bastante o tempo de carregamento para cerca de quatro a oito horas. As estações de carregamento são geralmente chamadas de equipamento de serviço de veículo elétrico (ESVE).

Os carregadores ESVE são designados por seu "nível". Por exemplo, carregadores on-board de 120 V são Nível 1, os de 240 V são designados Nível 2. Um diagrama de blocos genérico de um OBC de Nível 1 de carregador (OBC ou outro) é mostrado na Figura 2.

Figura 2: Arquitetura genérica de um carregador de bateria automotivo.

A entrada de 127 V c.a. aciona uma corretor do fator de potência de meia ponte (PFC) que produz uma saída c.c. Essa tensão c.c. supre um conversor c.c.-c.c., que produz a tensão que é enviada para a interface do veículo para carregar a bateria. Cada um dos circuitos PFC e c.c.-c.c. possui um controlador MCU (Microcontroller Unit) e circuitos de acionamento por porta. Observe que uma fonte de alimentação flyback simples desenvolve as tensões mais baixas para alimentar os MCUs e os circuitos relacionados.

Um arranjo de carregador c.c. de nível 3 é semelhante a uma entrada c.a. trifásica que aciona um circuito PFC, que supre o conversor c.c.-c.c. de tensão superior que carrega a bateria de maior tensão.

Os carregadores de nível 3 são carregadores externos que normalmente só podem ser encontrados em estações de carregamento padrão. Esses sistemas ignoram o carregador on-board e entregam tensão c.c. superior diretamente para a bateria via BMS.

Observe que existe uma interface homem-máquina (IHM) que inclui uma tela, teclado e monitor completo, controle e funcionalidade de programação.

Fontes:

[1] Artigo do NY Times, “To Power the Future, Carmakers Flip on 48-Volt Systems”, disponível em https://www.nytimes.com/2018/02/08/business/electric-cars-48-volts.html

[2] Artigo publicado no EET Asia, “48V Vehicle Electrical System – More Than Just a Bridging Technology?”, disponível em: https://www.eetasia.com/48v-vehicle-electrical-system-more-than-just-a-bridging-technology/