Os veículos elétricos estão se tornando populares devido às suas características ecológicas em termos de qualidade, simplicidade funcional e eficiência energética. O impulso funcional é acionado por um motor elétrico, que possui uma estrutura simples em comparação com um motor de combustão interna. No que diz respeito à eficiência energética, a comparação entre carros de combustão e veículos elétricos é simbólica: os carros de combustão têm uma eficiência energética de 16 por cento, enquanto os veículos elétricos têm uma eficiência energética de 85 por cento. A natureza elétrica da propulsão tem uma vantagem sobre a natureza baseada na combustão - energia renovável.
A eletricidade oferece muita flexibilidade, inclusive com o uso de diversas formas de captação de energia que ajudam a carregar a bateria, prolongando o tempo de operação do próprio veículo. Portanto, a tecnologia de coleta de energia é uma perspectiva para soluções de pesquisa e desenvolvimento de veículos elétricos.
A autonomia dos veículos elétricos reflete diretamente na eficiência de seus sistemas de powertrain e gerenciamento de energia. Além disso, a infraestrutura necessária, como poderosos sistemas de carregamento rápido que agora atingem centenas de quilowatts, também são necessários para cumprir os limites rígidos de tamanho e eficiência predefinidos. Por meio de suas propriedades físicas específicas, o carboneto de silício (SiC) pode responder com eficácia a essas novas necessidades do mercado.
Entre os veículos híbridos e elétricos, os principais sistemas eletrônicos de energia são os conversores DC/DC boost e os inversores DC/AC. Os sistemas eletrônicos desenvolvidos para veículos elétricos vão desde sensores de temperatura, corrente e tensão até semicondutores baseados em SiC e nitreto de gálio (GaN).
O carboneto de silício é poderoso
Hoje, a autonomia e os longos tempos de carregamento se tornaram barreiras importantes para a adoção de veículos elétricos. Para carregamento rápido, é necessária mais energia para carregar em menos tempo. Devido ao espaço limitado disponível no carro, os sistemas de carregamento de baterias devem fornecer alta densidade de potência. Só assim será possível integrar estes sistemas no veículo.
No centro de qualquer veículo elétrico (EV) ou veículo híbrido plug-in (HEV), podemos encontrar baterias de alta tensão (200 a 450 VDC) e seus sistemas de carregamento. Os carregadores integrados (OBC) fornecem uma maneira de carregar as baterias da energia CA em sua casa ou em uma estação de carregamento pública ou privada. De conversores trifásicos de alta potência de 3,6 kW a monofásicos de 22 kW, os OBCs de hoje devem ter a maior eficiência e confiabilidade possíveis para garantir carregamento rápido e atender aos requisitos de espaço e peso limitados.
Todos os sistemas de carregamento rápido requerem uma estação de carregamento compacta e eficiente, e os atuais módulos de energia SiC permitem a criação de sistemas com a densidade de energia e eficiência necessárias. Para atingir metas ambiciosas em relação à densidade de potência e eficiência do sistema, transistores e diodos SiC devem ser usados.
A excelente resistência do campo elétrico dos substratos de SiC de alta dureza permite o uso de substratos mais finos. Em comparação com a camada epitaxial de silício, esta pode atingir um décimo da espessura. A tendência nas baterias é aumentar a capacidade, e essa característica está associada a tempos de carregamento mais curtos. Isso, por sua vez, requer um OBC com alta potência e eficiência, como 11 kW e 22 kW.
Com a introdução da série SCT3xHR, a ROHM agora oferece a mais ampla linha de produtos no campo SiC MOSFET qualificado AEC-Q101, garantindo a alta confiabilidade necessária para carregadores de bordo e conversores DC/DC para aplicações automotivas (Figura 1). A STMicroelectronics também possui uma ampla gama de MOSFETs compatíveis com AEC-Q101, diodos de carboneto de silício e silício (SiC) e microcontroladores automotivos 32-bit SPC5 que fornecem soluções escaláveis, econômicas e eficientes em termos de energia para a implementação desses conversores exigentes (Figura 2).
Veículo para a grade
Espera-se que milhões de veículos elétricos movidos a bateria apareçam nas estradas na próxima década, representando um enorme desafio para a rede. À medida que a produção de recursos renováveis não programáveis se expande, também aumenta a necessidade de redes balanceadas.
Quando as baterias automotivas são conectadas à rede por meio de caixas de carregamento domésticas ou estações de carregamento corporativas ou públicas, seu gerenciamento inteligente torna-se extremamente atraente. As baterias integradas podem ser usadas para alimentar a rede e também para extrair energia, dependendo da necessidade imediata de absorção de energia.
O sistema utiliza um controle remoto para proporcionar o retorno da energia acumulada no veículo ou a recuperação pela rede (para a bateria). A tecnologia chave para implementar este sistema é um inversor de potência bidirecional que é acoplado diretamente à bateria de alta tensão (300 a 500 volts) no lado automático e no lado da rede de baixa tensão (Figura 3).
A tecnologia Vehicle-to-grid (V2G) tem o potencial de tornar a rede mais equilibrada e eficiente. À medida que a demanda de eletricidade aumenta, o equilíbrio entre oferta e demanda é crucial.
Carregamento sem fio
Graças aos pontos de carregamento localizados em garagens ou estacionamentos públicos, uma área interessante é o carregamento sem fio de veículos elétricos. O ponto de carregamento não precisa necessariamente estar alinhado com precisão com o receptor sob o carro. A longo prazo, tentar-se-á desenvolver uma versão de microcarregamento que possa integrar placas de carga longas e vias públicas para carregar veículos EV/HEV mesmo em andamento, mas isso dependerá do número de dificuldades encontradas a nível nacional e níveis administrativos locais.
Para que a tecnologia V2G funcione ininterruptamente, forneça os benefícios da estabilidade da rede e permita que os veículos atuem como geradores e fontes de dados, a tecnologia de carregamento sem fio deve ser incorporada não apenas ao próprio veículo, mas também à infraestrutura doméstica e urbana. O veículo está carregado. Isso tornará o veículo altamente utilizável, se necessário.
O carregamento sem fio baseado na tecnologia de ressonância magnética permite que veículos elétricos, independentemente do tipo ou tamanho, sejam carregados automaticamente e com segurança, colocando bobinas flexíveis na placa de origem usando materiais como concreto e asfalto. A energia sem fio permitirá que os veículos carreguem de forma autônoma e implementem a tecnologia V2G que excita e atenua continuamente sem intervenção humana (Figura 4).
conclusão
Tecnologias de semicondutores de banda larga e estações de carregamento rápido habilitadas por recursos de rede digital ajudarão a acelerar a adoção de veículos elétricos. À medida que a demanda global por veículos elétricos aumenta, também aumenta a necessidade de oferecer suporte à infraestrutura de carregamento. Tecnologias inovadoras de carregamento para veículos elétricos podem ser um catalisador para a mudança, ajudar a promover a adoção de veículos elétricos e contribuir muito para a meta de reduzir as emissões de carbono.
A eletrônica de potência dos veículos elétricos é enriquecida com dispositivos de potência SiC para atender às necessidades de melhoria: a eficiência energética do sistema; a força e a densidade de potência dos veículos elétricos; e aplicações de alta potência que requerem alta tensão e potência – fazendo assim uma importante contribuição para o desempenho do sistema e confiabilidade de longo prazo. Os MOSFETs SiC e os diodos de barreira Schottky (SBDs) SiC garantem a mais alta eficiência de comutação em altas frequências.