Maior autonomia para carros elétricos – uma pequena peça que vale 6% de incremento

Instituto Fraunhofer com tecnologia inovadora

Se os veículos elétricos quiserem alcançar maiores distâncias, não é apenas uma questão de otimizar as suas baterias. Em vez disso, todo o sistema de motorização tem de ser melhorado. Uma unidade de investigação do Instituto Fraunhofer está a desenvolver unidades de controlo eletrónico, os chamados inversores de potência, que convertem a energia entre bateria e motor de forma muito mais eficiente do que é feita hoje em dia.

autonews.pt @ 12-5-2021 16:22:16

Quando se trata da autonomia de um automóvel elétrico, muitos de nós pensamos de imediato na bateria. Quanto mais energia uma bateria pode armazenar, mais longe o carro pode ir.

A bateria, porém, não é o todo e o fim do todo. Na realidade, o sistema de tracção também desempenha um papel fulcral. Especialistas do Instituto Fraunhofer para a Fiabilidade e Microintegração IZM em Berlim, por exemplo, estão a começar a trabalhar num novo inversor de energia.

Este dispositivo converte a corrente contínua da bateria em corrente alternada que aciona o motor elétrico. Devido à sua posição central entre a bateria e o motor, correntes elétricas elevadas fluem através do inversor de potência e dos seus transístores. Para evitar que o dispositivo se aqueça como uma torradeira, o calor tem de ser descarregado sobre os elementos de arrefecimento.

Autonomia alargada até seis por cento

No projeto SiCeffizient, peritos da Fraunhofer IZM e dos seus parceiros industriais estão agora a fabricar transístores utilizando semicondutores especialmente eficientes de carboneto de silício (SiC), que dissipam menos energia à medida que a corrente elétrica flui através deles.

Estes semicondutores, no entanto, são relativamente caros. Por conseguinte, faria sentido ter o número mínimo de transístores. Mas como cada um deles dissiparia mais energia e aqueceria mais intensamente, eles precisam de ser particularmente bem arrefecidos. Os elementos de arrefecimento dos inversores de potência foram agora completamente redesenhados, sendo a ideia manter o refrigerador do semicondutor, mantendo a mesma taxa de dissipação.

Particularmente quando o veículo acelera, trava e viaja a alta velocidade, perde-se potência do inversor à medida que grandes quantidades de corrente fluem para trás e para a frente entre o motor, o inversor de potência e a bateria.

Os semicondutores SiC reduzem estas perdas. "Esperamos que ao optimizar o comboio de tracção desta forma, a gama de carros elétricos acabe por ser alargada até seis por cento", diz Eugen Erhardt, responsável pelo projeto SiCeffizient na IZM. Seis por cento pode não soar muito. Mas, na realidade, é muito. Quando se trata de baterias para automóveis elétricos, este tipo de aumento de desempenho só pode ser alcançado através do aumento do número de baterias ou através de um considerável esforço de investigação.

Dissipadores de calor resistentes à pressão através da impressão 3D


Os inversores de potência para carros elétricos são arrefecidos com água. O calor que se acumula nos transístores é normalmente descarregado através de um elemento sólido de arrefecimento. Este tem condutas de arrefecimento, referidas como barbatanas, que se projetam na água e dissipam o calor.

Para arrefecer estes úteis transístores SiC, os peritos criaram um elemento de refrigeração com paredes comparativamente mais finas por meio de impressão 3D. Este elemento está disposto de tal forma que os transístores assentam sobre uma placa metálica de apenas alguns milímetros de espessura.

Como resultado, os transístores aproximam-se da água de arrefecimento, e isto intensifica o efeito de arrefecimento. Para evitar que a placa metálica fina se deforme sob carga, as aletas de arrefecimento são modeladas na impressora 3D de tal forma que suportam as placas metálicas tal como as colunas de uma cúpula. Esta estrutura é tão estável que o elemento de refrigeração pode suportar tanto a pressão da água de refrigeração como as forças que ocorrem quando os transístores são fundidos por sinterização no elemento de refrigeração.

Os módulos de potência são sempre compostos de diferentes materiais para assumir as diferentes funções necessárias. Aqui está o problema: quando aquecidos, os materiais diferentes expandem-se a taxas tão diferentes que as tensões ocorrem na estrutura. Isto pode causar a rachadura e falha do inversor de energia. O novo elemento de arrefecimento também resolve este problema. Como as placas metálicas são mantidas extremamente finas, elas são capazes de compensar as tensões que ocorrem à medida que são aquecidas ou arrefecidas, deformando-se ligeiramente.

Como resultado, toda a estrutura termoelétrica é muito flexível. É importante notar que isto poupa os dispendiosos semicondutores SiC e prolonga a sua vida útil.

O fio de cobre que evita quebras

E há outra coisa que reduz o stress nos novos módulos inversores de energia. Eles não são ligados a outros componentes eletrónicos da forma habitual por condutores de cobre sólidos. Em vez disso, a estrutura que compreende o elemento de arrefecimento e os transístores SiC está ligada ao resto do sistema eletrónico através de fios de cobre flexíveis e finos.

Próximos passos

O novo inversor de energia será testado no parceiro de projeto Robert Bosch durante os próximos meses. A empresa Porsche instalará então o dispositivo num comboio de tracção recentemente concebido, que é precisamente compatível com a estrutura SiC. "Ainda temos algum caminho a percorrer antes de o dispositivo estar pronto para entrar em produção. Mas parece promissor.", diz Eugen Erhardt. "Numa primeira fase, estamos a reunir todo o conhecimento para criar um protótipo. As etapas individuais do processo terão então de ser ainda mais otimizadas para chegar ao mercado".

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