Transição do gerenciamento térmico reativo para o proativo

Inversor de carboneto de silício Helix. (Imagem:Hélice)
Em um circuito elétrico, o fluxo de elétrons colide com os átomos do material condutor e faz com que esses átomos vibrem. A energia térmica é a energia cinética e potencial total das partículas dentro de uma região do espaço, portanto, esta transferência de energia dos elétrons para as partículas como energia cinética se manifesta como calor.

Quanto maior a resistência, mais frequentes serão os solavancos e isso significa maior geração de calor. Não só uma maior resistência gera mais calor, mas para os metais, este aumento no calor gera mais resistência.

É função do gerenciamento térmico encontrar maneiras de afastar esse calor e evitar que esse ciclo de feedback reduza significativamente a eficiência elétrica e o desempenho de um sistema. É também fundamental para a longevidade dos ímanes permanentes, uma vez que as partículas que constituem o material magnético perderão o seu alinhamento magnético se captarem demasiada energia cinética – ou seja, irão desmagnetizar.

Tudo isto torna a gestão térmica crítica para o motor de um VE. Mas juntamente com o problema básico de resistência e aquecimento, os motores EV também precisam lidar com outras fontes de calor, como as correntes parasitas dentro do ferro do estator do motor, perdas viscosas nos rolamentos e perdas de alta frequência resultantes de inversores de comutação rápida.

Inteligência em tempo real

Junto com o ciclo de feedback de temperatura e resistência (a resistência do cobre aumenta 40% a cada 100 graus de temperatura), há também o fato de que o isolamento elétrico em torno dos enrolamentos do estator se 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 totalmente.

Isto torna a gestão térmica do motor em veículos elétricos uma tarefa muito complexa e que precisa de ser combatida precocemente. Um único ponto quente que não seja detectado pode fazer com que o motor de um VE se deteriore de forma incrivelmente rápida, com resultados permanentes.

Isto significa que a gestão térmica do VE é uma intervenção que requer inteligência em tempo real sobre as condições do motor, mesmo quando o arrefecimento líquido ativo é implementado, como é comum. Juntamente com a melhoria do desempenho real do motor e, mais significativamente, do desempenho da bateria, este tipo de inteligência em tempo real pode permitir inovações na gestão térmica, aquecimento e arrefecimento de todos os veículos – emblemáticos em tecnologias como a Tesla Octovalve, que integra vários sistemas de refrigeração e aquecimento para centralizar e racionalizar a gestão de calor de todo o veículo.
Gráfico do contorno da pressão do fluido do canal de refrigeração. (Imagem:Hélice)
Mas de onde exatamente vem essa inteligência em tempo real? Coletar leituras precisas de calor de um motor EV inteiro não é uma tarefa fácil, especialmente na resolução necessária para identificar pontos quentes com a rapidez e precisão necessárias para torná-los úteis. São necessárias inúmeras leituras de temperatura ao vivo dentro do motor e do líquido refrigerante do motor, cobrindo os enrolamentos do rotor e do estator.

Métodos Diretos e Indiretos

Existem duas maneiras de adquirir essas informações de temperatura. O primeiro é o método direto, colocando sensores diretamente no local para fornecer uma medição de temperatura em tempo real, ou seja, usando termistor ou sensor termopar em contato direto, ou medições de rotor através de sensores infravermelhos. Esta é a maneira mais intuitiva de realizar a tarefa, mas traz algumas complicações importantes:aumento na complexidade, pontos de falha e custo da qualidade para os próprios sensores.
Motores de tecnologia de núcleo escalonável Helix. (Imagem:Hélice)
A instalação e fiação de vários sensores em um motor apresenta um desafio de fiação, embalagem e manutenção que requer engenharia extra significativa para ser resolvido e pode exigir compensações em eficiência e desempenho para acomodar. E a falha de apenas um único sensor pode resultar em leituras falsas que desorganizam as estratégias de gerenciamento térmico, resultando em perdas de desempenho, eficiência e insatisfação do cliente.

Isso traz à tona o método indireto:o uso de modelagem eletromagnética e térmica acoplada. Ao desenvolver um modelo sofisticado de como um motor se comporta em diversas condições elétricas e térmicas, podemos combiná-lo 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 de outra forma seriam necessários e também devem atender a rígidos padrões de segurança funcional, juntamente com uma única medição de temperatura do líquido refrigerante. A partir deles, podemos inferir, a partir de modelos em tempo real, como é a distribuição de calor no sistema em qualquer momento.

Modelagem Eletrotérmica

O desafio de confiar na modelagem eletrotérmica em vez de sensores é que se trata de um método indireto. Isso significa que agora você depende da aplicabilidade e precisão do seu modelo, o que, por sua vez, requer testes suficientes para desenvolvê-lo e refiná-lo, juntamente com poder computacional suficiente para executar o modelo e fazer as inferências de temperatura necessárias.
Gráfico do contorno da temperatura do estator. (Imagem:Hélice)
Como resultado, é uma abordagem que depende particularmente da sofisticação das equipes de engenharia por trás de um motor e de um veículo. Além disso, como acontece com qualquer meio de medição, requer uma compreensão de sua precisão e definição de limites de forma adequada.

Mas os benefícios desta abordagem, se bem feita, são consideráveis. Não há compensações necessárias para acomodar sensores e sua fiação dentro e ao redor de um motor, o que significa que os dados de gerenciamento térmico não precisam comprometer a eficiência ou o desempenho.

Esta abordagem também reduz os pontos de falha num motor e num VE. Criticamente, se um modelo for suficientemente sofisticado, ele também poderá desfrutar de uma capacidade preditiva significativa e estar bem posicionado para instruir o sistema de gerenciamento térmico a prevenir totalmente a formação de pontos quentes e manter um motor em um estado estacionário contínuo de desempenho ideal.

Esta mudança do gerenciamento térmico reativo para o preventivo é particularmente importante para melhorar o desempenho, a eficiência e a vida útil. Ao manter uma temperatura uniforme e estável e minimizar até mesmo pequenas interrupções momentâneas nesse estado estacionário, os sistemas de gerenciamento térmico apoiados pela modelagem eletrotérmica acoplada serão fundamentais para ampliar os limites da qualidade do motor EV. Na verdade, em vez de serem um substituto indireto para um sensor de temperatura, pode ser melhor pensar nos sensores de temperatura como um substituto abaixo do ideal para uma boa modelagem eletrotérmica.

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