2 Trabalho de Sistemas Térmicos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Instituto de Engenharia Mecânica
MOTORES: SISTEMA 48V
Sistemas Térmicos I - EME706.1 
Engenharia Mecânica
André Luiz de França, 2017016046
Thales Sant’Anna Venturini, 2017005060
Rafael Marques Siqueira, 2017013975
Luis Felipe Boscaro Stringuetti, 2017016627
Gabriel Augusto Ribeiro Mota, 2018000523
Professor: Fagner Luis Goulart Dias
Turma: T01
Itajubá, 2º semestre de 2020
SUMÁRIO
1.	INTRODUÇÃO	2
2.	OBJETIVOS	4
3.	DESENVOLVIMENTO	4
3.1 Necessidade da tecnologia 48V	4
3.2	Funcionamento	5
3.3	Diferenças entre micro-híbrido, híbrido moderado e híbrido completo	8
3.4	Transição dos sistemas 12V para os novos sistemas de 48V	9
3.5	O que acontecerá com os sistemas 12 V	10
3.6	Vantagens	11
3.7	Uso no mercado atual	12
3.8 Regulamentações que podem influenciar o papel do 48V no futuro do carro	13
4.	CONCLUSÕES	14
REFERÊNCIAS	14
1. INTRODUÇÃO
Partindo do ponto de vista teórico, o motor pode ser definido como o mecanismo responsável por transformar outras fontes em energia mecânica, ou alguma outra energia útil, a fim de gerar movimento ao sistema requerido. Sabe-se que existem diversos tipos de motores, os quais podem ser diferenciados por algumas variáveis, como o fluido de trabalho, o tipo de movimentação do pistão, a ignição, o ciclo de trabalho, o número e disposição dos cilindros, entre outros. Desse modo, tendo em vista as diferenças e particularidades de cada tipo de motor, será analisada agora a utilização do Sistema 48V nesse tipo de mecanismo.
Assim, para que se entenda a utilidade desse tipo de sistemas, compara-se este a um similar, porém com algumas limitações, o sistema 12V. Logo, pode-se afirmar que - diferentemente do sistema 12V - a tecnologia 48V possibilita a implementação de recursos extras e de extrema importância para a melhora do rendimento de um motor. Como exemplo, observa-se que estes recursos podem estar relacionados ao suporte de sistemas micro híbridos e leves, fazendo com que a emissão de gases poluentes seja reduzida, assim como o consumo de combustível, o que permite a recuperação de energia, funções estendidas de partida e eletrificação de algumas unidades e mecanismos presentes no motor.
Dessa forma, no cenário atual, pode ser observado que o Sistema 48V se torna cada vez mais difundido e tal fato não ocorre em vão. Em comparação com o 12V, ele é mais leve e também permite a possibilidade de se utilizar cabos menos espessos, além do fato de sua voltagem mais elevada, que acarreta em um valor menor da amperagem dos sistemas. Portanto, pode-se afirmar que as principais vantagens desse tipo de Sistema é o fato de consumir menos energia, apresentar-se mais econômico em relação ao já descrito anteriormente - que no futuro tende a se limitar aos motores de combustão tradicionais e se tornar ultrapassado e obsoleto – reduzir o impacto causado ao meio ambiente e, por fim, melhorar o desempenho do motor.
Por conseguinte, de uma maneira mais ampla, conclui-se que o sistema 48V não se define exatamente como um substituto do 12V, mas como uma melhoria do mesmo, já que, basicamente, é capaz de realizar tudo que este realiza e atuar em cenários que este não é qualificado a agir. Além disso, fornece diversas vantagens, que são cruciais para o aumento da vida útil do mecanismo em questão, além da diminuição de custos e de prejuízos ao meio ambiente.
2. OBJETIVOS
O presente trabalho tem como objetivo ampliar os conhecimentos abordados em sala de aula, com foco apresentar de forma mais aprofundada as características dos motores que utilizam a tecnologia do sistema 48V.
3. DESENVOLVIMENTO
3.1 Necessidade da tecnologia 48V
Atualmente cada vez mais montadoras divulgam projetos ou conceitos de carros híbridos ou totalmente elétricos, dando a entender que o mercado automotivo tende a esse caminho, tornando futuramente os carros movidos a motores de combustão tradicionais, operados somente por sistemas de 12V, obsoletos.
Já é visto que os carros modernos consomem muito mais energia elétrica do que antigamente devido aos diversos recursos tecnológicos que são implementados aos automóveis a cada ano, como controle de temperatura, computadores de assistência ao motorista e sistemas de entretenimento. Desta forma os sistemas de corrente contínua de 48V surgiram de forma a evitar perdas resistivas de energia, possibilitando correntes mais altas do que as habituais e consequentemente maior entrega de energia.
Além da maior eficiência de trabalho citada anteriormente, pode-se descrever a maior economia de combustível e a diminuição na emissão de gases tóxicos como as maiores vantagens do sistema. É importante citar que o custo da implementação do sistema não é alto em relação aos diversos benefícios do mesmo.
A tecnologia EV, que diz respeito a veículos puramente elétricos, ainda não possui o alcance e o conforto proporcionados pelos veículos com motores a combustão interna. Apesar de oferecer uma mobilidade com emissões mais baixas não é tão fácil encontrar pontos de recarga como encontra-se postos de combustível. 
Sendo assim, como uma solução de curto prazo os fabricantes de automóveis tradicionais estão optando por equipar os seus veículos com acionamentos híbridos. Isso tem ocorrido de forma mais recorrente e os veículos híbridos colocados no mercado propiciam uma mudança do padrão de veículos em circulação que reduzirá de forma considerável as emissões e o consumo de combustível, sem que os fornecedores tenham que realizar uma transição repentina para veículos elétricos totalmente movidos a bateria.
Essa solução teve início com propostas simples como a substituição de subsistemas movidos a motores tradicionais por motores elétricos até chegar em propostas como a combinação co-dependente e extremamente relacionadas de sistemas elétricos e de motor de combustão para fornecer simultaneamente a força de tração do veículo e a energia elétrica necessária aos subsistemas. 
É válido ressaltar, por fim, que a tensão operacional mais alta em comparação com um sistema elétrico de veículo de 12 V reduz as perdas de resistência durante a transmissão de energia além de que a tensão de bordo mais alta permite motores e geradores elétricos mais potentes. Por fim, o 48 V está abaixo do limite de segurança de 60 VCC, acima do qual os organismos de padronização exigem maior blindagem e proteção física para sistemas elétricos, permitindo a execução de um projeto viável dentro das normas de segurança exigidas.
3.2 Funcionamento 
Para entender o princípio de funcionamento dos sistemas 48V é necessário compreender a definição de potência que é dada pela unidade watts e vem do produto da corrente pela voltagem. Desta forma conclui-se que pode-se obter uma mesma potência elétrica usando altas tensões e baixas correntes ou altas correntes e baixas tensões. Levando em conta que a potência elétrica pode também ser dada pelo produto da corrente ao quadrado pela resistência, é possível considerar que faz sentido fornecer energia em altas tensões e baixas correntes para minimizar as perdas resistivas.
Em relação a hibridização, o primeiro passo é a utilização de sistemas de 48 V em conjunto com motores de combustão interna de modo a ajuda-los em sua operação, aumentando a eficiência, ao acionar funções auxiliares, como cremalheiras de direção hidráulica, bombas de vácuo de freio e bombas de água com motores elétricos, em vez de usar uma tomada de força do motor. Como alternativa ao acionamento mecânico, isso pode ser mais eficiente em termos energéticos, uma vez que a operação dessas funções pode ser mais adequada às necessidades do veículo.
O passo seguinte é um ‘híbrido moderado’, que substitui o motor de partida tradicional de um carro por uma unidade de motogeradora (também conhecido como gerador de partida acionado por correia). Este atua como gerador na frenagem, recarregando a bateria do veículo. Outra substituição relevante é o alterno-arranque que é um componente que funciona como alternador e como motor de arranque ao mesmo tempo, permitindoque o motor seja cada vez mais exclusivo de suas funções essenciais.  Quando o veículo para, o gerador motorizado, movido pela energia CA fornecida por um inversor da bateria, pode reiniciar o motor de combustão interna e fazer o veículo se mover novamente mais rapidamente, fornecendo torque adicional. Essa tecnologia é a mesma utilizada nos sistemas stop-start. 
Figura 1 – Exemplo de aplicação do sistema 48V no KIA Sportage Trubo-Diesel (KBB)
No caso do sistema MHEV implementado pela montadora alemã Audi e aplicado pioneiramente no audi A8 L e-tron quattro é baseado em um sistema elétrico primário de 48 volts, o qual fornece o sistema de 12 volts que agora se torna um subsistema elétrico. O sistema de 48 volts por sua vez é alimentado por uma partida do alternador de correia (BAS) conectada ao virabrequim do motor pelo acionamento por correia. Uma bateria de íons de lítio posicionada com segurança sob o piso do compartimento de bagagem serve como unidade de armazenamento.
Figura 2 - Sistema do Audi A8 L e-tron quattro
3.3 Diferenças entre micro-híbrido, híbrido moderado e híbrido completo 
A solução mais simples aos veículos elétricos pode ser chamada de micro-híbrido, o qual usa um motor/gerador 5 kW 12 V para facilitar a partida e a frenagem. Nestes casos é possível desligar o motor de combustão em marcha lenta e reiniciá-lo imediatamente, se necessário. No momento que o motorista tira o pé do acelerador, o motor/gerador ajuda a desacelerar o veículo, convertendo parte da energia cinética em energia elétrica para recarregar a bateria de bordo por meio dessa recuperação. Segundo a revista KBB, de acordo com as estimativas da indústria, esta abordagem pode reduzir as emissões de CO2 em até 4%.
No caso do híbrido moderado ou MHEVs, como o Audi A8 ilustrado na figura 2, vai um passo além ao usar um sistema elétrico de veículo de 48 V adicional, oferecendo um recurso adicional: com cerca de 5 a 13 kW, seu motor/gerador é potente o suficiente para fornecer torque adicional ao trem de força. Isso pode ocasionar um inicío mais rápido a partir de uma paralisação ou geralmente para acelerar mais rápido. 
No caso dos MHEVs o torque do motor elétrico está imediatamente disponível, o que melhora a capacidade de resposta imediata, além de ajudar a manter o motor de combustão o mais próximo possível de seu ponto de operação mais eficiente. De acordo o site AVNET e com estimativas da indústria, essa abordagem pode reduzir as emissões em até 21%.
Por fim, o conhecido híbrido completo, cujo motor-gerador de 20 a 40 kW tem potência suficiente para movimentar o veículo sozinho, requer uma bateria muito maior e mais pesada para armazenar a energia necessária. Neste caso obviamente é onde ocorre a maior redução das emissões, as quais podem chegar em até 30%. Os híbridos plug-in que também usam estações de carregamento externas para carregar suas baterias pode reduzir as emissões em até 75%.
3.4 Transição dos sistemas antigos de 12V para os novos sistemas de 48V
Com a implementação dessa nova proposta será necessário que os atuais sistemas elétricos de 12 V e 24 V dos veículos sejam convertidos para 48 V devido a maior potência elétrica requisitada. Para isso é preciso utilizar um novo sistema de alimentação, que é baseado nos novos sistemas elétricos de 12 V e 24 V. Essa abordagem é padronizada por organizações como a ISO e é impulsionada pelos principais OEMs, como Audi, BMW, Ford, Mercedes, Porsche e VW.
A mudança dos sistemas elétricos para 48 V é de difícil transição rápida visto que a indústria investiu muito nos sistemas de 12 V. Assim, tal mudança vira de forma gradual, com a introdução da infraestrutura de 48 V para operar junto com o sistema de 12 V. Os itens de um sistema 48 V, provavelmente, será composto por uma bateria de 48 V e um controlador de bateria, a unidade do gerador do motor e o inversor, barramento de força e pontos de conexão, bem como um conversor DC / DC para transferir energia entre os dois sistemas conforme necessário.
Tal mudança exigirá o desenvolvimento de uma ampla gama de novos componentes para que possam operar na tensão mais alta e atender aos padrões exigentes da indústria automotiva. Como exemplo, os sistemas híbridos moderados precisarão de circuitos inversores eficientes para poder contribuir com energia e extrair energia da bateria interna de 48 V sem perdas excessivas. Para isso, a fiação terá de ser atualizada para lidar com tensões e correntes mais elevadas, assim como quaisquer dispositivos que estejam operando com quantidades significativas de energia a 48 V.
Para lidar com, especialmente, correntes relativamente altas, também é necessário a mudança de como os sistemas elétricos de um veículo são interconectados. Baixa resistência, vedação, durabilidade, confiabilidade e preço estão entre os fatores que devem influenciar a escolha do conector.
Com o aumento das correntes e tensões levará a um problema que já está sendo trabalhado por alguns fabricantes. O problema em questão é o ambiente com mais ruído elétrico. Por exemplo, os capacitores eletrolíticos de alumínio híbrido da série EEH-ZE da Panasonic foram projetados para uso na filtragem de entradas e saídas de conversores de energia e reguladores de tensão, para desacoplamento de energia em baterias e em uma variedade de aplicações automotivas. As peças são montáveis ​​em superfície e estão em conformidade com o AEC-Q200.
O padrão AEC-Q200 é o padrão global para resistência a tensões que todo componente eletrônico passivo deve atender para poder ser usado na indústria automotiva. Seu objetivo é manter um padrão de resistência à temperatura e pressão e garantir a consistência das especificações de segurança dos componentes passivos. O padrão é publicado pelo Automotive Electronics Council (AEC), que é uma organização com sede nos Estados Unidos que define os padrões de qualificação dos componentes a serem usados ​​na indústria automotiva.
3.5 O que acontecerá com os sistemas 12 V
Visto os altos investimentos feitos para o desenvolvimento dos sistemas 12 V que são utilizados até hoje não seria interessante simplesmente abandonar a tecnologia, contudo, sistemas de fiação de 48V são alternativas relevantes. Isso porque quase todos os veículos híbridos, operam sistemas elétricos de veículos de alimentação dupla e sistemas de bateria para atender aos requisitos do ecossistema de 12 V e dos tipos emergentes de aparelhos de 48 V. Componentes eletrônicos adicionais são necessários para cada uma dessas formas de acionamento híbrido. Um micro-híbrido de 12 V geralmente requer um sistema de estabilização de tensão e um gerenciador de bateria duplo.
A fim de controlar o fluxo de energia entre os sistemas 48V a 12V, os híbridos leves requerem starters/geradores de 48V acionados por correias e conversores DC/DC. Os demais modelos híbridos também fazem uso de uma grande gama de componentes eletrônicos e sistemas de potência, o que reflete para a indústria o desafio e a oportunidade de criar um grande escopo de inovação para sistemas 48V.
Por exemplo, é necessário espaço adicional para se adicionar um subsistema elétrico paralelo a um veículo com motor de combustão interna. Com isso, os fabricantes de componentes e subsistemas devem aumentar o nível de integração de seus equipamentos. Os chicotes e conectores são complexos e caros, portanto, as inovações nessa área são sempre bem-vindas e necessárias. Há muitas maneiras de oferecer componentes eletrônicos de potência ainda mais eficientes, compactos e robustos para uso em veículos.
Alguns fabricantes de automóveis, estão desenvolvendo carros elétricos com baterias de 48 V e autonomia de até 150 km para uso em áreas urbanas. Isso pode exigir novos carregadores integrados e gerenciadores de bateria que podem ser controlados com subsistemas de gerenciamento de bateria, como os da empresa NXP. O gerenciador de bateria de íon-lítio MC33771B para até 14 células de bateria, por exemplo, oferece funções para balanceamento de corrente entre as células e também atende aos requisitos dopadrão ISO 26262 de veículos para segurança funcional.
3.6 Vantagens da nova tecnologia
Atualmente, diversas nações têm imposto metas cada vez mais rígidas sobre as emissões de CO2 na atmosfera numa tentativa de reduzir os efeitos do aquecimento global no nosso planeta. Considerando-se esses fatos, as montadoras de veículos de combustão interna têm procurado cada vez mais alternativas para cumprimento dessas metas, seja apostando cada vez mais em carros elétricos ou montando sistemas híbridos combustão-elétrico. Em vista disso o sistema 48V se mostra um excelente candidato para atingir essas metas sem elevar demasiadamente o custo do veículo, como geralmente acontece em veículos híbridos.
De acordo com a fabricante de autopeças Delphi “[...] uma frota de 11 milhões de veículos mild-hybrids pode economizar cerca de 15 bilhões de litros de combustíveis durante toda sua vida útil, o equivalente a 82 milhões de barris de petróleo por ano”. Essa economia reduziria refletiria em uma redução aproximada de 35 milhões de toneladas de gases de efeito estufa na atmosfera. Essa projeção também é embasada pelo ciclo de testes WLTP (Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedures) que estimou uma redução média de consumo e emissão de CO2 de 15%.
O grande responsável por essa economia é o sistema de recuperação de energia nas fases de frenagem e desaceleração do veículo. Ele consiste basicamente pelo sistema motor de combustão/motor elétrico/bateria 48V e um controle stop-in-gear que funciona da seguinte maneira.
· Ao acelerar o veículo, o motor de combustão interna recebe auxílio do motor elétrico que está sendo alimentado pela bateria 48V que fornece o primeiro impulso ao veículo, o que permite reduzir a inércia do veículo e por consequente exige menos combustível injetado no motor a combustão;
· Durante frenagens e desacelerações, o motor elétrico passa a funcionar como gerador elétrico, recuperando até 85% da energia cinética de frenagem que vai ser responsável por recarregar a bateria 48V;
· O ciclo se repete continuamente durante frenagens e acelerações, o que reflete em 600 a 900 mil desligamentos e religamentos do motor de combustão interna durante sua vida útil.
Além disso, recentemente a Bosch estabeleceu uma combinação de tecnologia avançada de injeção de combustível com um novo sistema de gerenciamento dos fluxos de ar e um sistema inteligente de gerenciamento de temperatura. A temperatura dos gases de escape é uma das variáveis que mais influenciam na emissão de NOx. Caso essa temperatura seja abaixo de 200°C, o componente responsável pela redução catalítica seletiva não opera corretamente. Nesse caso, que ocorre comumente no tráfego urbano, é que os motores diesel emitem mais NOx. Sendo assim, esse gerenciamento inteligente da Bosch mantém a temperatura dos gases sempre acima dos 200ºC. De acordo com a empresa a nova tecnologia é capaz de emitir apenas 13 mg/km de NOx. Para se ter noção, a meta para 2020 é que os veículos emitam apenas 120 mg/km, isso evidencia o tamanho do progresso alcançado.
3.7 Uso no mercado atual
No cenário atual é possível perceber que os fabricantes estão começando a implementar a mudança para 48 V de forma gradual, com a introdução de uma infraestrutura dedicada que funciona junto com os sistemas tradicionais de 12 V. As vantagens podem parecer essenciais para fazer essa mudança tão substancial em relação aos sistemas que já estão consolidados a décadas na indústria.
Alguns fabricantes de caminhões dos EUA já começaram a introduzir o uso de sistemas 48V, baseado no fato de que essa tecnologia permitirá aos usuários operar a energia ferramentas de seus veículos. Potencialmente muito mais importante, adicionar sistemas de 48V permitirá também a hibridização, trazendo maior economia de combustível e emissões reduzidas para veículos a um custo relativamente baixo.
Essa nova tecnologia pode ser encontrada no Mild-Hybrid 1.6 CRDi Turbo Diese l da Hyundai. Ele conta com uma bateria e um controlador que funcionam com esta tensão, uma unidade motogeradora e inversor e um conversor DC / DC para transferir energia entre os dois sistemas conforme necessário.
Segundo a revista AUTOCAR, o novo Audi A8 tem um sistema de suspensão ativa preditivo impulsionado pela nova configuração elétrica. Este sistema pode variai a altura do veículo em até 85 mm em apenas meio segundo. Ele funciona monitorando a superfície da estrada à frente com uma câmera frontal, reduz a rolagem da carroceria em 40% e consome uma média de 10-200W, chegando a 6 kW caso haja um movimento brusco da suspensão.
Atualmente o 48V já é utilizado em alguns modelos da Audi, como o A6 e o A7 Sportback, da Porsche, como o Cayenne, e da Bentley, como o Continental GT, pois ele apresenta uma série de vantagens sobre o de 12V. Uma delas é que ele é mais leve e permite usar cabos menos espessos. Quanto maior a voltagem, menor pode ser a amperagem dos sistemas. Além disso, o sistema 48V está presente nos motores EA288 Evo que é um sistema diesel híbrido.
Figura 3 – Sistema implementado no motor EA288 Evo
3.8 Regulamentações que podem influenciar o papel do 48V no futuro do carro
Atualmente a tendência é que os órgãos regulamentadores adotem cada vez mais medidas drásticas em relação a emissão de poluentes. A título de exemplo, a União Europeia, anunciou que até 2030 os reguladores vão cortar as emissões para 59,4 g / km, isso representa 37,5% das metas de 2021.
Para se ter ideia, Luca Ciferri, que é editor associado e editor da Automotive News Europe,  após discussões com vários membros da indústria escreveu em 2019 um artigo no qual ele apresenta que apenas EVs completos e EVs híbridos plug-in atenderiam a essas metas.
A inserção dessas novas tecnologias no mercado tem sido pauta de vários estudos, como o realizado pela Navigant Research , que prevê vendas globais de SSVs leves e MHEVs superiores a 61 milhões em 2025, dos quais cerca de 15% destes apresentando o sistema 48V. É quase que consenso desses estudos que os veículos equipados com 48V ocuparão uma parcela significativa de mercado a partir da segunda metade da década de 2020. Essa afirmação sobre a mudança nos veículos modernos é respaldada pelas regulamentações globais que podem forçar os fabricantes a optar por EVs ou PHEVs de alta tensão em tempo integral em vez de 48MHEVs para atingir as metas de emissões.
4. CONCLUSÕES
A utilização de um subsistema de 48 V nos veículos modernos faz com que a sua eficiência aumente e que as suas emissões diminuam, impactando cada vez menos na poluição do meio ambiente além de reduzir consideravelmente o consumo de combustíveis fosseis não renováveis. Essa tecnologia também abrirá o caminho para futuros veículos híbridos avançados ou para veículos totalmente elétricos que trazem novos recursos interessantes para o mundo do transporte pessoal. 
Uma série de componentes elétricos como conectores, capacitores e magnetismo desempenham um papel crítico na confiabilidade e funcionalidade desses sistemas. Sendo assim, como o mercado tem evoluído constantemente nessa área será possível atender às demandas crescentes neste espaço. A escolha oferecida é substancial e a escolha adequada é fundamental.
REFERÊNCIAS
AVNET. The shift to 48V in automotive systems: What you need to know. Disponível em: <https://www.avnet.com/wps/portal/abacus/resources/article/the-shift-to-48v-in-automotive-systems/>. Acesso em: 03/12/2020.
EETASIA. 48V Vehicle Electrical System – More Than Just a Bridging Technology?. Disponível em: <https://www.eetasia.com/48v-vehicle-electrical-system-more-than-just-a-bridging-technology/>. Acesso em: 04/12/2020.
MESINSIGHTS. The advantages of 48-volt vehicle electronics. Disponível em: https://www.mes-insights.com/the-advantages-of-48-volt-vehicle-electronics-a-867979/. Acesso em: 03/12/2020.
AUTOCAR. Under the skin: Why modern cars need 48V electrical systems. Disponível em: https://www.autocar.co.uk/car-news/technology/under-skin-why-modern-cars-need-48v-electrical-systems. Acesso em: 03/12/2020.
KBB. De olhonos elétricos, a VW apresenta motores a combustão. E um diesel híbrido. Disponível em: https://www.kbb.com.br/detalhes-noticia/vw-motor-combustao-alternoarranque-48v/?ID=1046. Acesso em: 08/12/2020
KBB. Bosch diz ter solução para salvar os motores diesel. Disponível em: https://www.kbb.com.br/detalhes-noticia/bosch-solucao-salvar-motores-diesel/?ID=1028. Acesso em: 08/12/2020
KBB. Kia entrará na onda dos sistemas de 48V com um Sportage turbodiesel. Disponível em: <https://www.kbb.com.br/detalhes-noticia/kia-sistemas-48v-sportage-turbodiesel/?ID=1133> . Acesso em: 09/12/2020
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