Transição da Gestão Térmica Reativa para Proativa

Inversor de Carboneto de Silício Helix. (Imagem: Helix)

Fundamentos da Geração de Calor

Em um circuito elétrico, elétrons fluindo batem nos átomos no material condutor e causam vibração desses átomos. Energia térmica é a energia cinética e potencial total de partículas dentro de uma região do espaço, então essa transferência de energia de elétrons para partículas como energia cinética se manifesta como calor.

Quanto maior a resistência, mais frequentes os choques e isso significa maior geração de calor. Não apenas maior resistência gera mais calor, mas para metais, este aumento de calor gera mais resistência.

É trabalho da gestão térmica encontrar formas de rotear esse calor para longe e prevenir que este loop de feedback reduza significativamente a eficiência elétrica e o desempenho de um sistema. Também é chave para longevidade de ímãs permanentes, já que as partículas que compõem o material magnético perdem seu alinhamento magnético se pegarem muita energia cinética — ou seja, eles desmagnetizam.

Tudo isso torna a gestão térmica crítica para o motor de um VE. Mas junto com o problema básico de resistência e aquecimento, motores de VE também precisam lidar com outras fontes de calor, como correntes parasitas no ferro do estator do motor, perdas viscosas em rolamentos e perdas de alta frequência resultantes de inversores de comutação rápida.

Inteligência em Tempo Real

Junto com o loop de feedback de temperatura e resistência (a resistência do cobre aumenta 40 por cento a cada 100 graus de temperatura), há também o fato de que o isolamento elétrico ao redor dos enrolamentos do estator degrada rapidamente se ficar muito quente. Uma regra prática é que para cada 10 graus de aumento de temperatura, a resistência do isolamento cai pela metade, e em alguma temperatura o isolamento se rompe completamente.

Isso torna a gestão térmica do motor em VEs uma tarefa muito complexa, e que precisa ser contraposta cedo. Um único ponto quente deixado não detectado pode causar deterioração incrivelmente rápida do motor de um VE, com resultados permanentes.

Isso significa que a gestão térmica de VE é uma intervenção que requer inteligência em tempo real sobre condições do motor, mesmo onde resfriamento líquido ativo é implantado, como é comum. Junto com a melhoria do desempenho real do motor, e mais significativamente desempenho da bateria, este tipo de inteligência em tempo real pode permitir inovações em gestão térmica de todo o veículo, aquecimento e resfriamento — simbolizado em tecnologias como a Tesla Octovalve, que integra múltiplos sistemas de resfriamento e aquecimento para centralizar e racionalizar a gestão de calor de todo um veículo.

Gráfico de contorno de pressão de fluido do canal de resfriamento. (Imagem: Helix)

Mas de onde exatamente vem esta inteligência em tempo real? Coletar leituras precisas de calor de um motor de VE inteiro não é uma tarefa fácil, especialmente na resolução necessária para identificar pontos quentes tão rápida e precisamente quanto necessário para torná-los úteis. Muitas leituras de temperatura ao vivo dentro do motor, e do resfriador do motor são necessárias, cobrindo rotor e enrolamentos do estator.

Métodos Diretos e Indiretos

Existem duas formas de adquirir esta informação de temperatura. A primeira é o método direto, colocando sensores diretamente in-situ para fornecer medição de temperatura em tempo real, ou seja, usando sensor termistor ou termopar em contato direto, ou medições do rotor via sensores infravermelhos. Esta é a forma mais intuitiva de abordar a tarefa, mas vem com algumas complicações maiores: aumento de complexidade, pontos de falha, e custo de qualidade para os próprios sensores.

Motores de Núcleo Escalável Helix. (Imagem: Helix)

Instalar e cabear numerosos sensores dentro de um motor apresenta um desafio de cabeamento, embalagem e manutenção que requer engenharia extra significativa para abordar e pode requerer trade-offs em eficiência e desempenho para acomodar. E a falha de apenas um único sensor pode resultar em leituras falsas que jogam estratégias de gestão térmica em desordem, resultando em perdas de desempenho, eficiência e insatisfação do cliente.

Isso traz o método indireto: o uso de modelagem eletromagnética e térmica acoplada. Ao desenvolver um modelo sofisticado de como um motor se comporta em uma variedade de condições elétricas e térmicas, podemos emparelhar isso com sensores que já estão implantados dentro e ao redor de um motor. Por exemplo, podemos usar informações de sensores de corrente e posição que são de outra forma necessários e também devem atender a padrões rigorosos de segurança funcional, acoplados com uma única medição de temperatura do resfriador. A partir destes, podemos então inferir de modelos em tempo real como a distribuição de calor se parece através do sistema em qualquer ponto no tempo.

Modelagem Eletrotérmica

O desafio de confiar em modelagem eletrotérmica em vez de sensores é que é um método indireto. Isso significa que você agora depende da aplicabilidade e precisão do seu modelo, que por sua vez requer testes suficientes para desenvolver e refiná-lo, junto com poder computacional suficiente para rodar o modelo e fazer as inferências de temperatura necessárias.

Gráfico de contorno de temperatura do estator. (Imagem: Helix)

Como resultado, é uma abordagem que depende particularmente fortemente da sofisticação das equipes de engenharia por trás de um motor e um veículo. Além disso, como com qualquer meio de medição, requer uma compreensão de sua precisão, e definição de limites apropriadamente.

Mas os benefícios desta abordagem, se feita corretamente, são consideráveis. Não há trade-offs necessários para acomodar sensores e seu cabeamento dentro e ao redor de um motor, o que significa que dados de gestão térmica não precisam comprometer eficiência ou desempenho.

Esta abordagem também reduz pontos de falha em um motor e um VE. Criticamente, se um modelo é sofisticado o suficiente, também pode desfrutar de capacidade preditiva significativa e estar bem posicionado para instruir o sistema de gestão térmica a prevenir totalmente a formação de pontos quentes e manter um motor em um estado contínuo de desempenho ótimo.

Esta mudança de gestão térmica reativa para preemptiva é particularmente importante para melhorar desempenho, eficiência e vida útil. Mantendo uma temperatura uniforme, estável e minimizando até pequenas interrupções momentâneas a tal estado estável, sistemas de gestão térmica apoiados por modelagem eletrotérmica acoplada serão chave para expandir os limites para qualidade de motor de VE. De fato, em vez de ser um substituto indireto para um sensor de temperatura, pode ser melhor pensar em sensores de temperatura como um substituto subótimo para boa modelagem eletrotérmica.

Este artigo foi escrito por Andrew Cross, Diretor de Inovação, Helix (Milton Keynes, Reino Unido). Para mais informações, por favor visite aqui.