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Bomba de injeção de elétrons

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Tags: Mobilidadeelétrica

A unidade eletrônica é um item que determina o alcance de um carro elétrico. A ZF desenvolveu uma geração particularmente eficiente contendo semicondutores de alto desempenho feitos de carboneto de silício. Conheça melhor esse importante componente da eletromobilidade.
Johannes Winterhagen, Novembro 21, 2018
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Johannes Winterhagen Quando tudo fica realmente complexo, o jornalista especializado em energia e mobilidade começa a se sentir à vontade. É no laboratório que ele prefere encontrar os engenheiros.
Basta um breve toque no acelerador para colocar o veículo parado em movimento com uma forte aceleração. Muitas pessoas que dirigem um carro elétrico pela primeira vez ficam surpresas e impressionadas com sua dirigibilidade esportiva. Já os engenheiros automotivos são mais sóbrios. Afinal de contas, eles sabem que o combustível exigido por um motor de combustão precisa ser primeiramente levado à válvula de injeção e, em seguida, sob forte pressão, ao cilindro do motor.

No automóvel elétrico, a bateria ocupa o lugar do tanque. A fonte de energia, ou seja, a eletricidade armazenada nela é composta por elétrons: partículas elementares praticamente sem massa capazes de se mover com a velocidade da luz, totalmente em conformidade com a Teoria da Relatividade proposta por Einstein. Na verdade, a corrente é refreada um pouco pela resistência existente dentro dos condutores. Mesmo assim, ela é bem mais rápida que os combustíveis líquidos ou gasosos. Essa diferença explica como um motor elétrico consegue alcançar o giro desejado em frações de segundo. Contanto que a voltagem seja constante, a energia mecânica gerada depende apenas da quantidade de elétrons que chegam à bobina do motor elétrico.

A unidade eletrônica controla o fluxo de elétrons

A unidade eletrônica controla o fluxo de elétrons

O que isso significa na prática? O fluxo de elétrons precisa ser controlado com precisão para que a potência do motor elétrico possa ser adaptada à situação de condução. Um veículo elétrico também precisa de um tipo de sistema de injeção, uma função que, nesse caso, é desempenhada pela unidade eletrônica conectada ao motor elétrico. Além disso, ela tem mais uma tarefa essencial. A bateria de íons de lítio do carro apenas pode emitir e receber corrente contínua. Contudo, os modernos sistemas de acionamento veicular sempre usam corrente alternada, cuja geração é controlada pela unidade eletrônica. Quando o carro freia e o motor elétrico age como gerador, a corrente alternada precisa ser primeiramente transformada em contínua para poder ser armazenada na bateria. “Como no uso diário a energia passa continuamente pela unidade eletrônica em ambos os sentidos, a eficácia desse componente é fundamental na hora de definir a distância que um carro elétrico pode percorrer com uma recarga da bateria”, explica Dr. Marco Denk, responsável pela engenharia avançada de semicondutores na ZF. As unidades eletrônicas modernas que a ZF desenvolve na planta de Auerbach, Alemanha, já chegam a um grau de eficiência acima de 95% no ciclo WLTP.

Semicondutores da unidade eletrônica: as válvulas de injeção do motor elétrico

Semicondutores da unidade eletrônica: as válvulas de injeção do motor elétrico

Nas unidades eletrônicas, os semicondutores são peças essenciais para o nível de eficácia. Semelhante às válvulas de injeção que, abrindo e fechando, regulam o volume de combustível, quando inativos, os semicondutores bloqueiam a passagem dos elétrons. Dependendo do modelo, o semicondutor libera o caminho – por meio de uma voltagem ou gerando um campo elétrico. Esses dois processos podem ser combinados. Nesse caso, trata-se de um transistor bipolar de porta isolada (IGBT, abreviatura em inglês de “Insulated-Gate Bipolar Transistor”). Todos os semicondutores instalados até hoje em veículos elétricos têm algo em comum: sua base é de puro silício. As vantagens são inúmeras, incluindo o fato de os cristais de silício poderem ser fabricados e processados pelos mesmos processos que os usados nos chipes de computador.
Sem alterar a potência da bateria, uma unidade eletrônica com chipes à base de carboneto de silício promete um aumento de 5% a 10% no alcance de um carro elétrico em comparação a uma unidade eletrônica à base de silício.

O silício tem baixo custo, porém desvantagens

O silício tem baixo custo, porém desvantagens

A tensão inversa de um semicondutor de silício, ou seja, a pressão a que uma válvula eletrônica tem que resistir, depende basicamente de sua espessura. A consequência é que, com uma maior voltagem, o tamanho dos semicondutores aumenta, o que reduz o grau de eficiência durante a condução. “Os motores de todos os carros elétricos sempre trabalharam com 400 Volts. Em 2019, serão lançados os primeiros veículos movidos a acionamentos com 800 Volts. A razão de dobrar a voltagem não está nas vantagens ao dirigir, mas na diminuição do tempo de recarga pela metade”, afirma Denk. Em breve serão necessários apenas 15 a 20 minutos para recarregar energia suficiente para rodar 400 quilômetros.

Novo material de semicondutores para mais eficiência

Novo material de semicondutores para mais eficiência

A ZF está desenvolvendo uma nova geração de unidades eletrônicas com base em semicondutores feitos de carboneto de silício. Nesse material, cada átomo de silício está ligado a quatro átomos de carbono e vice-versa. “A estrutura do silício é semelhante à do carbono”, comenta Dr. Marco Denk. “Além de serem menores do que os de silício, os átomos de carbono atraem com mais força os elétrons livres”, acrescenta. O material mais sólido suporta intensidades de campo dez vezes maiores, que chegam a três megavolts por centímetro antes de a estrutura da malha romper.
“Esses novos semicondutores podem aumentar o alcance entre 5% e 10% sem alterar o tamanho da bateria.”
— Dr. Marco Denk, responsável pela engenharia avançada de unidades eletrônicas

Maior alcance com chipes de carboneto de silício

Maior alcance com chipes de carboneto de silício

Isso significa que a mesma voltagem pode ser processada com chipes dez vezes mais finos. Para um sistema de acionamento de 800 Volts são suficientes semicondutores com uma espessura em torno de 100 micrômetros. A altura reduzida também se traduz em uma resistência interna menor. Consequentemente, menos elétrons se perdem a caminho do motor, aumentando o grau de eficiência. O motorista também sente esse avanço, mesmo que ele não entenda nada de física de semicondutores. “Esses novos semicondutores podem aumentar o alcance entre 5% e 10% sem alterar o tamanho da bateria”, declara Denk que, auxiliado pelos seus colegas, ainda está trabalhando na viabilidade de produção em série do novo material para semicondutores. Contudo, nos próximos cinco anos, a ZF pretende oferecer as primeiras unidades eletrônicas contendo semicondutores à base de carboneto de silício.

Em síntese: quando o assunto é o alcance dos carros elétricos, além da capacidade das baterias, outro fator determinante é a eficiência das unidades eletrônicas, que são responsáveis pelo gerenciamento completo da energia. As modernas unidades eletrônicas contêm semicondutores de silício puro. Embora tenham um alto grau de eficácia, suas desvantagens estão na altura e na resistência interna. Quanto maior for a voltagem que aciona o motor, mais evidentes esses pontos fracos se tornam. Por isso, a ZF está desenvolvendo unidades eletrônicas à base de carboneto de silício. Esse material minimiza as desvantagens mencionadas e pode levar a um aumento de 5% a 10% no alcance na estrada, sem mudar o tamanho das baterias.