Análise aprofundada dos veículos elétricos: princípios completos de funcionamento desde os componentes principais até os sistemas inteligentes
Como a direção central da transformação e modernização da indústria automóvel, os veículos elétricos estão a remodelar o panorama dos transportes com as suas vantagens de respeito pelo ambiente, eficiência e inteligência. Desde uma pequena arruela de parafuso até um complexo sistema de condução inteligente, o trabalho colaborativo de cada componente constitui a experiência de operação suave de um veículo elétrico. Partindo dos princípios subjacentes, este artigo desmonta sistematicamente os componentes centrais, os mecanismos de funcionamento e as tecnologias inteligentes dos veículos elétricos, conduzindo-o a uma compreensão abrangente da "lógica interna" dos veículos elétricos.
I. Núcleo de Potência: Princípio de Funcionamento dos Motores de Veículos Elétricos
O motor é o "coração" de um veículo elétrico e a sua eficiência na conversão de energia elétrica em energia mecânica determina diretamente o desempenho dinâmico do veículo. Desde o fenómeno mais básico da indução eletromagnética até aos motores industriais trifásicos de indução, o desenvolvimento dos motores para veículos elétricos tem sempre girado em torno dos três objetivos centrais de "alta eficiência, alto binário e alta estabilidade".
(I) Indução Eletromagnética: A Base Física Subjacente dos Motores
A essência do funcionamento de um motor provém da interação entre indução eletromagnética e força eletromagnética. Podemos compreender a sua lógica central através de um conjunto de experiências simples.
Interação eletromagnética básica: Quando uma haste metálica rotativa é aproximada de um íman, a haste metálica irá rodar em direção ao íman. Se a haste metálica for substituída por um disco de ferro e movida com um íman em forma de U, o disco irá rodar com o íman e até produzir auto-rotação. À primeira vista, este fenómeno é causado pela força de atração do íman, mas quando substituímos o disco de ferro por um disco de alumínio (um material não ferromagnético), mover o íman ainda pode impulsionar o disco a rodar, o que revela o papel central da indução eletromagnética.
Sinergia entre indução eletromagnética e força eletromagnética: O campo magnético de um íman em forma de U flui do polo N para o polo S. Quando o íman se move, o seu campo magnético corta o disco (condutor). De acordo com o princípio da indução eletromagnética, uma corrente induzida é gerada no disco. A direção da corrente induzida pode ser determinada pela regra da mão direita apontando para o centro do disco. A regra da mão esquerda pode determinar a direção da força no disco—aponte o dedo indicador na direção do campo magnético, o dedo médio na direção da corrente e o polegar aponta para a força eletromagnética que impulsiona o disco a rodar. O ponto chave é que deve haver uma diferença na velocidade de rotação entre o íman e o disco. Se as velocidades de rotação forem iguais, a indução eletromagnética não pode ocorrer e o disco perderá o seu poder de auto-rotação.
(II) Iteração da Estrutura do Motor: De Dispositivos Simples ao Design de Grau Industrial
Para alcançar uma saída de potência contínua e estável, a estrutura do motor passou por múltiplas rondas de otimização e atualização.
Melhoria da estrutura básica: Substituir o disco de alumínio por um cilindro de ferro e o íman em forma de U por dois ímanes em barra. Quando o íman é rodado, o cilindro roda em conformidade. Da análise das forças, o campo magnético flui do polo N para o polo S. Quando o íman se move para baixo em relação ao cilindro, o cilindro equivale a mover-se para cima. Uma corrente induzida é gerada de acordo com a regra da mão direita e depois as direções das forças em ambos os lados do cilindro (uma para baixo e outra para cima) são determinadas pela regra da mão esquerda, impulsionando finalmente o cilindro a rodar.
Aplicação de eletroímãs: Uma bobina gera um campo magnético quando energizada. Este tipo de eletroímã, que é "magnético quando energizado e não magnético quando desenergizado", tem maior controlabilidade do que os ímanes permanentes tradicionais — aumentar a tensão pode reforçar a intensidade do campo magnético e mudar a direção da corrente pode inverter os polos magnéticos. Com base nesta característica, múltiplas bobinas são dispostas ao redor do cilindro. Ao mudar continuamente a direção da corrente, pode formar-se um campo magnético rotativo e o cilindro pode ser impulsionado a rodar continuamente sem a necessidade de rodar mecanicamente o íman, que é a lógica central do design do motor.
(III) Corrente Alternada Trifásica: O Método de Implementação do Campo Magnético Rotativo
Os veículos elétricos geralmente adotam motores de indução trifásicos e o seu núcleo reside em gerar um campo magnético rotativo estável através da corrente alternada trifásica.
Geração de corrente alternada trifásica: Quando um íman roda em torno de uma bobina, as alterações no campo magnético fazem com que a bobina gere corrente alternada (a forma de onda da corrente alternada monofásica é uma curva senoidal). Se três bobinas forem dispostas em intervalos de 120 graus, o íman em rotação gerará três grupos de corrente alternada com uma diferença de fase de 120 graus, ou seja, corrente alternada trifásica. Uma extremidade das três bobinas está conectada para formar uma linha neutra e a outra extremidade estende-se como três linhas de fase. A tensão entre as linhas de fase é de 380 volts e a tensão entre a linha de fase e a linha neutra é de 220 volts. Diferentes métodos de conexão podem satisfazer diferentes necessidades de consumo de energia.
Enrolamento da bobina e formação do campo magnético: O motor é composto por um estator e um rotor e a bobina é enrolada nos orifícios do estator. O método específico de enrolamento é: a bobina entra pela porta A e sai na direção oposta pela porta A oposta; entra pela porta B com um intervalo de 120 graus e sai na direção oposta pela porta B; de forma semelhante completa-se o enrolamento da bobina na porta C e finalmente liga-se os fios retornados na direção oposta juntos e conecta-se as três fases à corrente alternada trifásica.
Geração do campo magnético rotativo: A forma de onda da corrente alternada trifásica varia periodicamente com o tempo. Em diferentes momentos, a polaridade e a magnitude da corrente nas três fases são diferentes. Por exemplo, num dado momento a fase R é positiva e as fases S e T são negativas; no momento seguinte, as fases R e S são positivas e a fase T é negativa. Esta mudança faz com que a direção do campo magnético gerado pela bobina do estator se desloque continuamente. Segundo a regra de Ampère, a direção do campo magnético gerado por cada bobina (horário ou anti-horário) muda com a corrente. Após a sobreposição dos campos magnéticos de múltiplas bobinas, forma-se um campo magnético rotativo contínuo e a velocidade de rotação do campo magnético está positivamente correlacionada com a frequência da corrente alternada.
(IV) Estrutura e Classificação dos Motores Reais
Motores elétricos para veículos industriais foram precisamente otimizados com base em princípios básicos e dividem-se principalmente em duas categorias: motores de indução (motores assíncronos) e motores síncronos de íman permanente.
Motores de indução (motores assíncronos):
Estrutura do núcleo: Composto por um estator e um rotor. O estator tem ranhuras internas para instalar as bobinas de enrolamento. O rotor é uma estrutura tipo gaiola de esquilo com chapas de ferro isoladas com ranhuras internas e barras condutoras embutidas nas ranhuras.
Características de funcionamento: Quando corrente alternada passa pela bobina do estator, é gerado um campo magnético rotativo. As barras condutoras do rotor cortam as linhas do campo magnético para gerar corrente induzida e são então impulsionadas a rodar pela força eletromagnética. Como a velocidade do rotor é sempre inferior à velocidade do campo magnético (existe uma taxa de escorregamento), é chamado de motor assíncrono.
Otimização das bobinas: Na produção industrial, um conjunto de bobinas geralmente tem centenas ou milhares de voltas. Após serem enroladas por uma máquina, são cobertas com tinta isolante que não só melhora o desempenho do isolamento como também aumenta a condutividade térmica. Para resolver o problema dos campos magnéticos irregulares, o número de ranhuras do estator será aumentado (como 12, 24) e as bobinas serão conectadas em série e dobradas para formar diferentes estruturas de campo magnético, como dois polos e quatro polos. Motores com campo magnético de dois polos têm alta velocidade, motores com campo magnético de quatro polos têm grande torque, e o design multi-ranhura pode melhorar ainda mais a estabilidade do campo magnético e a eficiência do motor.
Motores síncronos de íman permanente:
Melhoria estrutural: Ímanes permanentes em forma de arco são instalados fora do rotor (substituindo o rotor gaiola de esquilo). Os ímanes permanentes geram um campo magnético fixo que interage com o campo magnético rotativo gerado pela bobina do estator.
Vantagens principais: A velocidade do rotor está sincronizada com a velocidade do campo magnético do estator sem perdas de energia causadas por corrente induzida (a perda de energia dos motores de indução é cerca de 3%-4%) e possui grande torque de arranque e excelente desempenho em baixa velocidade.
Problemas existentes: Durante a condução em alta velocidade, a força eletromotriz de retorno gerada pelo íman permanente é oposta à direção da força eletromotriz do motor, o que afeta a eficiência do motor; ao mesmo tempo, o íman permanente causa correntes parasitas que resultam em perdas adicionais de energia.
Motores síncronos de relutância com íman permanente:
Design híbrido: Combinando as vantagens do baixo regime e alto torque dos motores de íman permanente com a estabilidade em alta velocidade dos motores de relutância síncrona, os ímanes permanentes são embutidos nas ranhuras dos motores de relutância síncrona para formar uma estrutura composta.
Otimização do desempenho: Ao ajustar o ângulo entre o campo magnético rotativo e o campo magnético do íman permanente, a força eletromotriz de retorno pode ser enfraquecida ou até anulada, permitindo que o motor opere eficientemente em cenários de baixa e alta velocidade. Durante a partida, manter o ângulo do campo magnético rotativo em cerca de 50 graus pode obter o torque máximo.
II. Fonte de Energia: Princípio de Funcionamento das Baterias de Lítio e Design do Pack de Baterias
A potência do motor provém da energia elétrica e o componente central de armazenamento de energia dos veículos elétricos são as baterias de lítio. As baterias de lítio tornaram-se o dispositivo preferido de armazenamento de energia para veículos elétricos devido às suas vantagens de alta densidade energética, longa vida útil e capacidade de carregamento rápido.
(I) Estrutura Central e Princípio de Funcionamento das Baterias de Lítio
A conversão de energia das baterias de lítio baseia-se na intercalacão e desintercalacão de iões de lítio e a estrutura central inclui um eletrodo positivo, uma camada de eletrólito e um eletrodo negativo.
Materiais dos eletrodos:
Eletrodo negativo: Composto principalmente por camadas de grafite. O grafite tem uma estrutura cristalina em camadas que proporciona espaço para a intercalacão de iões de lítio.
Eletrodo positivo: Óxidos metálicos contendo lítio (como óxidos de níquel-cobalto-manganês para baterias ternárias de lítio e fosfato de ferro de lítio para baterias de fosfato de ferro de lítio).
Eletrólito: Solução de sal de lítio orgânico revestida no separador, permitindo a passagem de iões de lítio mas bloqueando eletrões.
Processo de carga e descarga:
Carga: Quando uma fonte de alimentação externa é ligada, o eletrodo positivo da fonte atrai os eletrões dos átomos de lítio no material do eletrodo positivo. Os eletrões fluem pelo fio e os átomos de lítio perdem eletrões para se tornarem iões de lítio, que fluem para o eletrodo negativo através da camada de eletrólito e se intercalam na estrutura cristalina em camadas do grafite até que todos os iões de lítio estejam intercalados e a bateria esteja totalmente carregada.
Descarga: Quando o circuito está ligado a uma carga (como um motor), os iões de lítio retornam ao eletrodo positivo através da camada de eletrólito para restaurar um estado estável. Os eletrões fluem pelo fio até ao eletrodo positivo e recombinam-se com os iões de lítio formando uma corrente para alimentar a carga.
Mecanismos chave de proteção:
Proteção de segurança: É fornecida uma camada isolante no meio do eletrólito para evitar curtos-circuitos entre os eletrodos positivo e negativo (curtos-circuitos causam a secagem do eletrólito e incêndios).
Formação do filme SEI: Durante a primeira carga de uma bateria de lítio, os iões de lítio fluem para o eletrodo negativo através da camada de eletrólito. Alguns eletrões reagem com moléculas do solvente e grafite para formar um filme de interfase de eletrólito sólido (filme SEI). O filme SEI pode bloquear o contacto entre as moléculas do solvente do eletrólito e o eletrodo negativo, evitando a degradação do eletrólito. Embora consuma cerca de 5% dos iões ativos de lítio, os benefícios gerais superam as desvantagens. Os cientistas continuam a melhorar o desempenho da bateria otimizando a espessura e as propriedades químicas do filme SEI.
(II) Tipos de Baterias de Lítio e Design do Pacote de Baterias
Tipos comuns de baterias de lítio:
Baterias ternárias de lítio: O eletrodo positivo adota uma mistura proporcional de níquel, cobalto e manganês. Têm alta densidade energética e bom desempenho a baixas temperaturas, sendo adequadas para modelos focados em autonomia e potência.
Baterias de fosfato de ferro de lítio: O material do eletrodo positivo é fosfato de ferro de lítio. Têm alta segurança, longa vida útil e baixo custo, sendo adequadas para modelos focados em estabilidade e economia.
Composição e sistema de arrefecimento dos conjuntos de baterias:
Design modular: Uma única bateria de lítio tem tensão e capacidade limitadas. O conjunto de baterias de um veículo elétrico combina milhares de baterias de lítio em série e paralelo (por exemplo, alguns modelos têm conjuntos de baterias com mais de 7 000 baterias de lítio) para formar um conjunto de baterias de alta tensão.
Sistema de gestão térmica: As baterias geram calor durante a operação. Temperaturas excessivamente altas ou baixas afetam o desempenho e a segurança. O conjunto de baterias está equipado com um sistema de arrefecimento. O líquido refrigerante circula por tubos metálicos para reduzir a temperatura da bateria; ao mesmo tempo, o sistema de gestão térmica pode monitorizar a temperatura da bateria e aquecê-la em baixas temperaturas. O design de múltiplas pequenas baterias pode alcançar uma distribuição uniforme da temperatura, reduzir pontos quentes e prolongar a vida útil da bateria.
Disposição estrutural: O conjunto de baterias é geralmente instalado sob o chassis, adotando um design modular integrado que não só poupa espaço interior, mas também baixa o centro de gravidade do veículo, melhorando a estabilidade na condução.
III. Conversão de Energia: Funções Centrais e Mecanismos de Funcionamento do Sistema de Controlo Eletrónico
O sistema de controlo eletrónico de um veículo elétrico é o "cérebro" responsável por coordenar o trabalho dos componentes principais, como baterias e motores. As suas funções principais incluem a conversão de corrente contínua e alternada, controlo da potência de saída e gestão térmica, que são essenciais para garantir o funcionamento eficiente do veículo.
(I) Composição e Arquitetura do Sistema de Controlo Eletrónico
O sistema de controlo eletrónico é uma coleção complexa de múltiplos subsistemas, incluindo principalmente:
Sistema de gestão térmica: Monitoriza a temperatura das baterias, motores, controlos eletrónicos e outros componentes, mantendo cada componente dentro da faixa ótima de temperatura de funcionamento através de sistemas de arrefecimento ou aquecimento.
Módulo de controlo do motor: O núcleo é um inversor responsável por converter a corrente contínua fornecida pela bateria em corrente alternada necessária para o motor e controlar a frequência da corrente alternada para ajustar a velocidade do motor, permitindo a aceleração e desaceleração do veículo.
Módulo de distribuição de energia de alta tensão: Distribui energia elétrica para componentes de alta tensão, como compressores de ar condicionado, unidades de aquecimento da bateria e conversores CC.
Conversor CC: Converte a corrente contínua de alta tensão do conjunto de baterias em corrente contínua de baixa tensão (como 12 volts) para carregar a bateria de chumbo-ácido, que depois fornece energia a componentes de baixa tensão, como luzes do veículo, limpa para-brisas e sensores.
(II) Inversor: O Núcleo da Conversão CC-CA
O inversor é o núcleo do módulo de controlo do motor. O seu princípio de funcionamento é converter corrente contínua em corrente alternada de onda senoidal suave, através da comutação rápida dos interruptores do circuito.
Comutação básica do circuito: Um circuito inversor simples inclui quatro grupos de interruptores. Controlando o ligar e desligar dos interruptores, a direção do fluxo de corrente é alterada. Por exemplo, quando S1 e S4 estão ligados, a corrente flui numa direção; quando S2 e S3 estão ligados, a corrente flui na direção oposta. A comutação contínua dos interruptores pode gerar corrente alternada em onda quadrada.
Comutação em alta velocidade e otimização da forma de onda: Transístores são usados como elementos de comutação que podem comutar milhares de vezes por segundo, atendendo aos requisitos do motor para a frequência da corrente alternada (normalmente 50 hertz, exigindo 100 comutações por segundo). No entanto, a tensão da corrente alternada em onda quadrada muda abruptamente e precisa ser convertida numa onda senoidal suave. Ao tirar o valor médio dos pulsos da onda quadrada, forma-se uma curva próxima de uma onda senoidal e depois é adicionado um filtro passivo para ajustar a frequência do sinal, obtendo finalmente a corrente alternada senoidal requerida pelo motor.
Design de proteção do circuito: Para evitar curtos-circuitos, é configurado um circuito NOT no circuito para garantir que apenas um de cada grupo de interruptores possa ser aberto; ao mesmo tempo, é usado um comparador para comparar a onda senoidal com a onda triangular para gerar uma curva específica de onda quadrada, otimizando ainda mais a suavidade da forma de onda.
IV. Transmissão de Potência: Simplificação e Design Eficiente do Sistema de Transmissão
Comparado com as caixas de velocidades complexas e multi-velocidades dos veículos a combustível, o sistema de transmissão dos veículos elétricos é mais simples. Adota principalmente uma caixa de velocidades com relação fixa e alcança transmissão eficiente de potência através de um design otimizado.
(I) Estrutura Central do Sistema de Transmissão
Caminho de transmissão de potência: Quando o acelerador é pressionado, a bateria transmite energia elétrica ao módulo de controlo do motor. O inversor converte corrente contínua em corrente alternada e transmite-a ao motor. A rotação do rotor do motor aciona o eixo de transmissão. A engrenagem motriz no eixo de transmissão engrena com a engrenagem de saída de potência através da caixa de redução e finalmente transmite potência às rodas.
Mecanismo de desaceleração e aumento de torque: A caixa de redução consiste em duas engrenagens, uma grande e uma pequena. A engrenagem grande engrena com a engrenagem motriz e a engrenagem pequena engrena com a engrenagem de saída. Através do design da relação de engrenagem, a velocidade é reduzida e o torque é aumentado para atender aos requisitos de potência do veículo durante a condução.
Implementação da marcha-atrás: Não é necessária uma marcha-atrás adicional. O controlador inverte a direção de rotação do motor de acordo com o comando da marcha-atrás para realizar a marcha-atrás do veículo.
(II) Diferencial: Um Componente Chave para Resolver Diferenças de Velocidade das Rodas
Quando o veículo vira, a roda exterior percorre uma distância maior do que a roda interior. Se a velocidade for a mesma, a roda interior deslizará. A função do diferencial é ajustar a velocidade das rodas interior e exterior.
Princípio de funcionamento: O diferencial é composto por uma coroa dentada, engrenagens planetárias e engrenagens do eixo das rodas. A potência é transmitida do eixo de transmissão para a coroa dentada, fazendo as engrenagens planetárias girarem. As engrenagens planetárias engrenam simultaneamente com as engrenagens do eixo das rodas em ambos os lados. Ao fazer a curva, as engrenagens planetárias giram nos seus próprios eixos, aumentando a velocidade da engrenagem do eixo da roda exterior e diminuindo a velocidade da engrenagem do eixo da roda interior, realizando assim o ajuste dinâmico da velocidade das rodas.
Otimização estrutural: Os veículos elétricos adotam maioritariamente diferenciais abertos. Através do engrenamento preciso das engrenagens, assegura-se a continuidade e estabilidade da transmissão de potência e evita-se o deslizamento das rodas nas curvas.
(III) Semi-eixo e Junta Universal: Garantia de Ligação para Transmissão de Potência
O semi-eixo é responsável por transmitir o torque produzido pelo motor às rodas e o seu componente principal é a junta universal de velocidade constante.
Estrutura da junta universal de velocidade constante: Composta por esferas, uma gaiola de esferas, uma pista interna e uma pista externa com uma tampa de pó no exterior. A pista interna está ligada ao eixo de transmissão através de estrias. A gaiola de esferas está colocada dentro da pista externa e as esferas são instaladas entre a gaiola e as pistas interna e externa.
Vantagens principais: Independentemente da variação do ângulo entre os dois eixos, as velocidades de rotação do eixo motor e do eixo conduzido são sempre as mesmas (transmissão de velocidade constante). Possui características de alta eficiência de transmissão, alta precisão e forte capacidade de compensação angular, podendo transmitir eficientemente o torque do motor, melhorando a eficiência de condução do veículo.
V. Estabilidade de Condução: Sistema de Suspensão e Design do Chassis
O sistema de suspensão e o chassis são a base para a estabilidade de condução e conforto dos veículos elétricos. O design do chassis dos veículos elétricos é otimizado com base nos veículos tradicionais para se adaptar às necessidades de integração das baterias e motores.
(I) Sistema de Suspensão: Absorção de Impactos e Estabilização da Carroçaria
A função principal do sistema de suspensão é suportar o peso da carroçaria do veículo, absorver a força de impacto causada por estradas irregulares e reduzir a vibração da carroçaria. Divide-se principalmente em suspensão independente, suspensão não independente e suspensão semi-independente. Os veículos elétricos adotam maioritariamente suspensão de duplo triângulo entre as suspensões independentes.
Estrutura da suspensão de duplo triângulo: Composta por triângulo inferior, triângulo superior, pivô de direção, amortecedor e barra estabilizadora. Os triângulos superior e inferior estão ligados ao pivô de direção da roda através de juntas esféricas de direção. O braço de direção é controlado pelo volante para empurrar a roda a girar; a barra estabilizadora é usada para controlar a amplitude de rolamento do veículo nas curvas.
Princípio de funcionamento do amortecedor: O amortecedor é composto por uma mola e um amortecedor hidráulico. A mola absorve a energia do impacto da superfície da estrada e reduz o balanço da carroçaria; o amortecedor suprime a oscilação quando a mola retorna e acelera a atenuação da vibração. O amortecedor possui um cilindro de trabalho e um cilindro reservatório no interior. O movimento do pistão é controlado pelo fluxo de óleo hidráulico. Quando o pistão desce, o óleo hidráulico é comprimido para o cilindro reservatório; quando o pistão sobe, o óleo hidráulico retorna ao cilindro de trabalho, mantendo-o cheio para garantir o efeito de amortecimento. O nitrogénio líquido expansível preenchido no cilindro reservatório pode reduzir resistências, folgas e descontinuidades.
Efeito sinérgico da barra anti-rolamento: Confiar apenas no amortecedor para controlar o rolamento exige o uso de molas muito rígidas e amortecedores com alto coeficiente de amortecimento, o que sacrifica a capacidade de absorver vibrações da estrada. A barra anti-rolamento atua em sinergia com o amortecedor, podendo controlar eficazmente a amplitude do rolamento do veículo nas curvas sem afetar a absorção de vibrações, melhorando a estabilidade da condução.
(II) Chassis Skateboard: Um Design Inovador para Integração Modular
Os veículos elétricos geralmente adotam um design de chassis skateboard que integra componentes principais como motores, baterias, controlos eletrónicos, sistemas de transmissão e suspensões no chassis para formar uma estrutura semelhante a um skate.
Vantagens principais:
Desenvolvimento modular: A carroçaria é desacoplada do chassis. As ligações mecânicas são reduzidas através dos sistemas drive-by-wire. A carroçaria pode ser desenvolvida independentemente em módulos. Diferentes carroçarias podem ser acopladas ao mesmo chassis, encurtando o ciclo de desenvolvimento do modelo e reduzindo os custos de produção.
Otimização do espaço: A bateria é colocada horizontalmente no chassis, poupando espaço interior e melhorando o conforto de condução; ao mesmo tempo, baixa o centro de gravidade do veículo, reduzindo o balanço durante a condução e melhorando a estabilidade.
Seleção de materiais: O chassis precisa suportar o peso de toda a carroçaria e geralmente utiliza aço de alta resistência e liga de alumínio. O aço é forte e durável, e a liga de alumínio é leve, o que permite um design leve do chassis e melhora a autonomia.
VI. Controlo Inteligente: Aplicação e Expansão da Tecnologia Drive-by-Wire
A tecnologia drive-by-wire é a base da inteligência dos veículos elétricos. Realiza o controlo de potência através de fios ou sinais eletrónicos, substituindo as ligações mecânicas tradicionais rígidas para alcançar uma operação eletrónica e precisa. É amplamente utilizada em sistemas como aceleradores, travões e direção.
(I) Disposição dos fios e classificação de voltagem
Os componentes elétricos dos veículos elétricos dividem-se em componentes de alta tensão (baterias, motores, inversores, etc., com uma voltagem de 250-750 volts) e componentes de baixa tensão (luzes do veículo, limpa para-brisas, sensores, etc., com uma voltagem inferior a 250 volts). Os fios correspondentes também se dividem em duas categorias:
Cabos de alta tensão: Laranja, grossos em diâmetro, com capacidades anti-interferência eletromagnética, ligam componentes de alta tensão como portas de carregamento, carregadores a bordo, packs de baterias, motores e módulos de distribuição de energia de alta tensão.
Fios de baixa tensão: Amarelos, ligam componentes de baixa tensão e são alimentados por baterias de chumbo-ácido.
(II) Implementação drive-by-wire dos sistemas principais
Acelerador drive-by-wire:
Veículos tradicionais a combustível ligam o pedal do acelerador ao motor através de um cabo de aço que não consegue controlar com precisão a entrada de ar; o acelerador drive-by-wire dos veículos elétricos substitui a mola mecânica por um sensor. Quando o pedal é pressionado, o sensor envia um sinal elétrico à unidade de controlo do motor que ajusta a velocidade do motor conforme a intensidade do sinal para alcançar controlo preciso da velocidade do veículo.
Travão drive-by-wire:
Estrutura tradicional do travão de disco: Composta por conjunto do cubo, disco de travão, pinça de travão e sistema hidráulico. Quando o pedal do travão é pressionado, a força mecânica é transmitida ao cilindro mestre do travão através da haste do travão, empurrando o óleo hidráulico para o pistão hidráulico da roda, acionando a pinça de travão para apertar o disco de travão e assim realizar a travagem.
Melhoria do travão drive-by-wire: A ligação mecânica entre o pedal do travão e o cilindro mestre é removida. Um sensor é instalado no pedal e a pinça de travão é alterada para um tipo controlado por motor. Quando o travão é pressionado, o sensor envia um sinal elétrico para o controlador que aciona a pinça para atuar, realizando travagem eletrónica com maior velocidade de resposta e controlo mais preciso.
Sistema de travagem auxiliar:
Sistema de travagem antibloqueio ABS: Sensores estão instalados nas rodas. Quando é detetado que as rodas estão prestes a bloquear, a unidade moduladora ABS liberta intermitentemente as pastilhas de travão para fazer as rodas rodar intermitentemente, evitando o deslizamento das rodas e permitindo ao condutor manter o controlo do veículo, especialmente eficaz durante travagens de emergência.
Sistema de assistência à partida em subida: Deteta a pressão do travão através do sensor de pressão do cilindro mestre e avalia a inclinação da estrada através do sensor de aceleração longitudinal. Quando o condutor solta o pedal do travão, o sistema continua a manter a pressão do travão durante alguns segundos, proporcionando tempo para passar para o pedal do acelerador e evitar que o veículo recue, sendo adequado para cenários de subida e descida.
Direção drive-by-wire:
O sistema de direção tradicional liga o volante e a cremalheira através de um eixo mecânico, dependendo de um sistema de direção assistida eletrónica para reduzir a resistência da direção; a direção drive-by-wire remove a ligação mecânica. Quando o volante roda, o sensor envia um sinal elétrico para o controlador que aciona o motor elétrico na cremalheira para controlar a direção das rodas. É mais adequado para o design modular de chassis e carroçaria desacoplados com maior precisão de direção.
(III) Princípios de Funcionamento de Outros Componentes Drive-by-Wire
Limpa para-brisas:
Os primeiros limpa para-brisas mecânicos eram acionados por motores DC para rodar parafusos sem-fim e engrenagens e não podiam ajustar a velocidade conforme a chuva; os limpa para-brisas drive-by-wire adotam circuitos de controlo por transístor combinados com condensadores e resistores para alcançar trabalho intermitente. Eles detetam a chuva através do sensor de chuva no tejadilho e ajustam automaticamente a frequência de limpeza para garantir visão clara.
Airbags:
Os airbags tradicionais dependem de sensores de bola inercial. Durante uma colisão, a bola move-se para ligar o circuito, inflamando azida de sódio para gerar azoto para a inflação, mas existem riscos de gases tóxicos e disparos falsos; os airbags modernos drive-by-wire usam nitrato de sódio como material gerador de gás combinado com sensores Mams distribuídos pelo corpo do veículo para detetar com precisão a intensidade e posição da colisão e completar a inflação em 30 milissegundos para proteger a segurança dos condutores e passageiros.
VII. Garantia de Conforto: Princípios de Aquecimento e Arrefecimento do Sistema de Ar Condicionado
Os veículos elétricos não têm motores e não podem usar o calor residual do motor para aquecimento como os veículos a combustível. Os seus sistemas de ar condicionado garantem uma temperatura interior confortável através de dispositivos de aquecimento e arrefecimento especialmente concebidos.
(I) Sistema de Arrefecimento: Mecanismo de Funcionamento do Ar Condicionado Automóvel
O núcleo do arrefecimento é transferir calor através da mudança de fase do refrigerante. Os principais componentes incluem um compressor, condensador, secador, válvula de expansão e evaporador.
Processo de funcionamento:
Após o arranque do compressor, este comprime o refrigerante gasoso de baixa pressão em refrigerante gasoso de alta temperatura e alta pressão que é transportado para o condensador através de tubagens;
O condensador dissipa o calor através de tubagens e aletas e o ventilador acelera a dissipação de calor transformando o refrigerante gasoso de alta temperatura e alta pressão em refrigerante líquido de alta pressão;
O refrigerante líquido separa gás e líquido através do secador e entra na válvula de expansão onde a pressão cai abruptamente tornando-se refrigerante de baixa temperatura;
O refrigerante de baixa temperatura flui para o evaporador atrás do painel de instrumentos. O evaporador absorve o calor do ar quente no veículo para arrefecer o ar e o ventilador sopra o ar frio para dentro do veículo;
Após absorver calor, o refrigerante volta ao estado gasoso e retorna ao compressor para completar o ciclo.
Comutação de temperatura: A direção do fluxo de ar é controlada pelo amortecedor de mistura. Quando o tubo do evaporador está fechado, o ar passa apenas pelo trocador de calor (dispositivo de aquecimento) para gerar ar quente; quando o tubo do trocador de calor está fechado, o ar passa apenas pelo evaporador para gerar ar frio.
(II) Sistema de aquecimento: Aquecedor PTC e sistema de bomba de calor
Aquecedor PTC:
Princípio de funcionamento: Utilizando materiais PTC (termistores de coeficiente de temperatura positivo) como liga de níquel-cromo, quando a corrente passa, a energia elétrica é convertida em energia térmica devido à resistência. A resistência dos materiais PTC aumenta com a elevação da temperatura e a temperatura da superfície permanece estável após atingir um certo valor, realizando um fornecimento constante de calor.
Posição de instalação: Dentro do tubo de ar quente. Depois que o ar passa pelo aquecedor, é aquecido e depois enviado para o veículo através do tubo de ventilação.
Vantagens e desvantagens: Estrutura simples e velocidade de aquecimento rápida, mas consome energia da bateria e reduz a autonomia do veículo.
Sistema de bomba de calor:
Princípio de funcionamento: Semelhante a um "ar condicionado reverso", utiliza o calor do ar para aquecer o interior do veículo. O condensador exterior atua como evaporador no modo de aquecimento, absorvendo calor do ar exterior e transformando o refrigerante interno de líquido para gasoso; o refrigerante flui para o compressor e é comprimido em gás de alta temperatura e alta pressão, que é enviado para o condensador dentro do painel de instrumentos. O ventilador sopra o ar através do condensador para absorver calor e depois o envia para o interior do veículo para alcançar o aquecimento.
Vantagens principais: Não consome diretamente energia elétrica para gerar calor, mas transfere calor do ar. Tem uma maior eficiência energética, pode reduzir a perda de autonomia e é adequado para uso em ambientes de baixa temperatura.
VIII. Fornecimento de energia: Sistema de carregamento e gestão da bateria
A eficiência de carregamento e a segurança da bateria dos veículos elétricos dependem do trabalho colaborativo do sistema de carregamento e do sistema de gestão da bateria (BMS) para garantir o carregamento e descarregamento eficiente da bateria dentro de uma faixa segura.
(I) Métodos de carregamento: Carregamento lento AC e carregamento rápido DC
Carregamento lento AC:
Processo de funcionamento: A coluna de carregamento fornece corrente alternada que é ligada ao carregador a bordo através da porta de carregamento do veículo. O carregador a bordo converte a corrente alternada em corrente contínua para carregar o conjunto de baterias.
Características: Velocidade de carregamento lenta (normalmente demora várias horas para carregar completamente), mas baixo custo do equipamento e pequena perda da bateria, adequado para cenários de uso doméstico.
Carregamento rápido DC:
Processo de funcionamento: A coluna de carregamento realiza internamente a conversão de corrente alternada para corrente contínua e carrega diretamente o conjunto de baterias sem a participação do carregador a bordo.
Características: Velocidade de carregamento rápida (pode ser carregada até 80% da potência em meia hora), mas com custo elevado de equipamento e certa perda da bateria, adequado para cenários de estações públicas de carregamento rápido.
(II) Funções Principais do Sistema de Gestão da Bateria (BMS)
Balanceamento da bateria:
O conjunto de baterias é composto por milhares de pequenas baterias ligadas em série e paralelo. Existem diferenças no estado de carga e energia de cada bateria. O BMS ajusta através de dois métodos: balanceamento ativo e balanceamento passivo.
Balanceamento ativo: Utilizando componentes como condensadores e transformadores, a carga excedente das baterias com energia suficiente é transferida para baterias com energia insuficiente para alcançar o equilíbrio de energia.
Balanceamento passivo: Utilizando cargas fictícias como resistores, o excesso de energia é consumido na forma de calor para que a energia de cada bateria tenda a ser consistente.
Gestão da temperatura:
Monitora a temperatura do conjunto de baterias. Quando a temperatura está demasiado alta ou baixa, ativa o sistema de gestão térmica e aquece ou arrefece a bateria através do líquido de arrefecimento para garantir que a bateria funciona dentro da faixa de temperatura ideal (normalmente 20-40℃), evitando sobreaquecimento, incêndios ou degradação do desempenho devido ao frio excessivo.
Proteção de segurança:
Monitora em tempo real a tensão, corrente e estado de potência da bateria para prevenir situações anormais como sobrecarga, descarga excessiva e curtos-circuitos. Durante o carregamento, se for detectado risco de sobrecarga, corta automaticamente o fornecimento de energia da estação de carregamento; durante a descarga, se a corrente for demasiado alta, ajusta a saída de forma oportuna para proteger a vida útil da bateria e a segurança do uso.
IX. Recuperação de Energia: Princípio de Funcionamento do Sistema de Travagem Regenerativa
O sistema de travagem regenerativa é uma função característica dos veículos elétricos que pode converter a energia cinética durante a travagem em energia elétrica para recuperação e armazenamento, aumentando a autonomia.
(I) Princípio Fundamental: Conversão Bidirecional entre Motor e Gerador
Trabalho direto (modo de condução): O campo magnético rotativo gerado pela bobina do estator corta o rotor, gerando corrente induzida e força eletromagnética que impulsiona o rotor a rodar. O motor converte energia elétrica em energia mecânica.
Trabalho reverso (modo de geração de energia): Durante a travagem, a inércia do veículo faz as rodas rodarem, o que por sua vez faz o rotor do motor rodar. Neste momento, o inversor é controlado para ajustar a frequência da corrente alternada de modo que a velocidade do rotor seja maior que a velocidade do campo magnético rotativo. O rotor corta o campo magnético para gerar corrente induzida reversa e o torque inverte para alcançar a desaceleração. O motor torna-se um gerador convertendo energia cinética em corrente alternada.
(II) Processo de Recuperação de Energia
O inversor retifica a corrente alternada gerada pelo gerador em corrente contínua;
O conversor DC converte a corrente contínua numa tensão que corresponde à tensão da bateria;
A energia elétrica convertida é armazenada no pacote de baterias. Este processo pode aumentar a autonomia em mais de 10%.
X. Potência Múltipla: Veículos Elétricos Híbridos e de Autonomia Estendida
Além dos veículos puramente elétricos, os veículos híbridos e de autonomia estendida são modelos importantes na fase de transição, combinando as vantagens do combustível e da eletricidade.
(I) Veículos Elétricos Híbridos (Veículos Elétricos Híbridos)
Estrutura central: Equipado com motor, dois conjuntos motor-gerador (MG1 e MG2), um inversor e um pacote de baterias de lítio com um mecanismo de engrenagem planetária como núcleo.
Modos de funcionamento:
Condução em baixa velocidade: O motor não é ligado e o MG2 conduz as rodas para alcançar a condução puramente elétrica, reduzindo o consumo de combustível.
Condução acelerada: A bateria fornece energia ao MG1 e MG2. O MG1 conduz o motor para arrancar e o motor e MG2 conduzem conjuntamente as rodas para fornecer potência forte.
Condução em alta velocidade: O motor é o principal condutor e o MG1 atua como gerador para carregar a bateria, enquanto o MG2 mantém a energia da bateria.
Travagem/desaceleração: MG2 muda para modo gerador, convertendo a energia cinética das rodas em energia elétrica para carregar a bateria.
Vantagens: Sem ansiedade de autonomia, ecológico com eletricidade pura em baixas velocidades, alta eficiência do motor em altas velocidades, adequado para condições rodoviárias complexas.
(II) Veículos Elétricos de Autonomia Estendida
Estrutura central: Equipado com motor, gerador, bateria e motor elétrico. O motor não conduz diretamente as rodas, apenas conduz o gerador para gerar eletricidade.
Princípio de funcionamento:
Quando a bateria tem carga suficiente, o motor conduz as rodas para alcançar a condução puramente elétrica;
Quando a bateria está com pouca carga, o motor arranca para conduzir o gerador e gerar eletricidade. A energia elétrica alimenta o motor ou carrega a bateria, sendo o motor sempre responsável por conduzir as rodas.
Essência: Pertence à categoria de tração puramente elétrica. O motor serve apenas como um "power bank", resolvendo a ansiedade de autonomia dos veículos puramente elétricos e a experiência de condução é próxima à dos veículos puramente elétricos.
XI. Atualização Inteligente: Análise Técnica do Sistema de Condução Inteligente
A condução inteligente é uma das competências centrais dos veículos elétricos. Através da colaboração de três sistemas principais: perceção, tomada de decisão e execução, realiza funções de condução assistida ou até autónoma, melhorando a segurança e conveniência na condução.
(I) Sistema de Perceção: Os "Olhos e Ouvidos" dos Veículos Elétricos
O sistema de perceção é composto por vários sensores que recolhem dados do ambiente circundante para fornecer uma base para a tomada de decisões:
Câmaras: Identificam informações visuais como linhas de faixa sinais de trânsito peões e veículos baseando-se em algoritmos para analisar riscos potenciais mas são muito afetadas pela luz.
Radar de ondas milimétricas: Deteta a distância velocidade e direção dos objetos através de ondas de rádio com uma longa distância de deteção (mais de dezenas de metros) não é afetado pela luz e condições meteorológicas compensando as limitações das câmaras.
Radar ultrassónico: Utiliza ondas sonoras de alta frequência para medir a distância de objetos a curta distância principalmente usado para assistência ao estacionamento e prevenção de colisões a baixa velocidade.
Lidar: Emite feixes laser para escanear o ambiente circundante gerando mapas 3D com alta precisão na deteção de objetos e pode identificar com precisão condições complexas da estrada mas o custo é elevado.
(II) Sistema de Decisão e Controlo: O "Cérebro" dos Veículos Elétricos
Processamento de dados: Fusão e análise de dados multisource recolhidos pelo sistema de perceção removendo informações redundantes e extraindo características chave (como posições de obstáculos informações de faixa sinais de trânsito).
Formulação de estratégias: Formular estratégias de condução de acordo com regras e algoritmos predefinidos (como modelos de aprendizagem profunda) incluindo instruções de operação como aceleração desaceleração direção mudança de faixa e estacionamento.
Interação homem-máquina: Quando o sistema não consegue lidar com situações de emergência lembra o condutor para assumir o controlo do veículo através de sinais sonoros e luminosos para garantir a segurança na condução.
(III) Sistema de Execução: Convertendo Instruções em Ações
O sistema de execução recebe instruções de decisão e controla a aceleração travagem direção e outras ações do veículo através da tecnologia drive-by-wire. Baseia-se principalmente nos sistemas drive-by-wire do acelerador drive-by-wire do travão e drive-by-wire da direção mencionados anteriormente para garantir a precisão e a pontualidade da execução das instruções.
(IV) Normas de Classificação para Condução Inteligente
De acordo com a classificação da Society of Automotive Engineers (SAE) a condução inteligente está dividida em níveis 0-5:
Nível 0: Sem automação totalmente operado manualmente pelo condutor sem quaisquer funções auxiliares.
Nível 1: Condução assistida o sistema fornece automação limitada (como cruise control adaptativo aviso de saída de faixa) e o condutor precisa de controlar o veículo em todos os momentos.
Nível 2: Condução autónoma parcial o sistema pode controlar simultaneamente a aceleração e a direção (como assistência à manutenção de faixa assistência em engarrafamentos) o condutor precisa de manter a atenção e estar pronto para assumir o controlo a qualquer momento.
Nível 3: Condução autónoma condicional o sistema completa a maioria das operações de condução em ambientes específicos (como autoestradas) o condutor não precisa de observar em todos os momentos mas precisa de assumir o controlo quando for lembrado pelo sistema.
Nível 4: Condução autónoma de alto nível, o sistema assume todas as tarefas de condução em áreas cobertas por mapas de alta precisão sem intervenção do condutor (como navegação urbana, estacionamento automático).
Nível 5: Condução totalmente autónoma, realizando condução autónoma em todas as condições meteorológicas e terrenos, o condutor não necessita de qualquer operação e pode concentrar-se noutras tarefas.
Atualmente, a condução inteligente dos veículos elétricos mainstream encontra-se maioritariamente no estágio de condução assistida avançada nível 2. A condução autónoma de nível 3 e superior ainda está em fase de testes e promoção. A condução totalmente autónoma (nível 5) ainda precisa ultrapassar múltiplos obstáculos, como tecnológicos e regulamentares.
XII. Resumo: Núcleo Técnico e Tendências de Desenvolvimento dos Veículos Elétricos
O funcionamento dos veículos elétricos é o resultado do trabalho colaborativo dos componentes principais: o motor fornece potência como o "coração", a bateria de lítio armazena energia elétrica como a "fonte de energia", o sistema de controlo eletrónico coordena e controla como o "cérebro", a transmissão, suspensão e chassis garantem a estabilidade da condução, os sistemas drive-by-wire e de condução inteligente melhoram a experiência de controlo, e os sistemas de carregamento e travagem regenerativa resolvem o problema do fornecimento de energia.
Do ponto de vista do desenvolvimento tecnológico, os veículos elétricos estão a evoluir na direção de "mais eficientes, mais seguros, mais inteligentes e mais amigos do ambiente": os motores irão melhorar ainda mais a eficiência energética e a densidade de potência, as baterias de lítio desenvolver-se-ão para maior densidade energética, carregamento mais rápido e maior duração, a condução inteligente irá gradualmente avançar da condução assistida para a condução autónoma de alto nível, e o chassis modular e a tecnologia drive-by-wire promoverão a padronização e diversificação do desenvolvimento de modelos.
É importante notar que, embora a tecnologia dos veículos elétricos esteja cada vez mais madura, as questões de segurança ainda precisam ser levadas a sério — seja na gestão térmica da bateria, na fiabilidade da condução inteligente ou na estabilidade dos sistemas drive-by-wire, é necessária uma otimização contínua. Para os consumidores, ao desfrutarem da conveniência trazida pelos veículos elétricos, devem também manter a consciência de segurança, especialmente no modo de condução inteligente, e estar prontos para assumir o controlo do veículo a qualquer momento para garantir a segurança da viagem.
O surgimento dos veículos elétricos não só mudou a forma de transporte, mas também promoveu a transformação da estrutura energética e a atualização industrial. Com o contínuo avanço da tecnologia, os veículos elétricos do futuro estarão mais próximos das necessidades dos utilizadores, tornando-se a escolha principal para viagens sustentáveis e lançando as bases para a construção de um ecossistema de transporte verde e inteligente.
