Gestão térmica em veículos elétricos e híbridos

Gestão térmica em veículos elétricos e híbridos

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As seguintes informações oferecem uma sinopse sobre as respectivas tecnologias elétricas e híbridas. Desde os princípios básicos e das propriedades do sistema, passando por soluções de gestão térmica, até às particularidades sobre o tema: manutenção, reparo e reboque. Além disso, você poderá encontrar informações importantes sobre as qualificações necessárias para os trabalhos em questão.

As seguintes informações técnicas e dicas práticas foram elaboradas pela HELLA, com o intuito de apoiar as oficinas profissionalmente nos trabalhos do dia a dia. As informações disponibilizadas neste web site apenas devem ser utilizadas por pessoal especializado e devidamente qualificado.

Qual a importância das tecnologias elétricas e híbridas para a oficina?

Mais de 2 milhões de carros elétricos e híbridos plug-in foram vendidos mundialmente pela primeira vez em 2018. Com 2,1 milhões de veículos vendidos, a respectiva quota de mercado aumentou para 2,4% em todos os novos registros — e a tendência está aumentando. (Center of Automotive Management)
Na Noruega, por exemplo, a quota de mercado já é de 50%!

De acordo com a Agência Internacional de Energia (AIE), o crescimento da mobilidade elétrica e híbrida é impulsionado principalmente por programas governamentais, como bônus de vendas, proibições locais de condução para carros com motores de combustão interna ou especificações para ar limpo. A autoridade considera que os veículos elétricos são uma das várias tecnologias de acionamento atuais que podem ser usadas para atingir objetivos de sustentabilidade a longo prazo para reduzir as emissões. De acordo com um estudo realizado pela consultora de gestão PricewaterhouseCoopers, em 2030, um em cada três veículos novos na Europa poderá ser elétrico.

Assim, a implementação de veículos com tecnologias elétricas, híbridas ou de hidrogênio no futuro deixa de ser questionável. Brevemente, eles farão parte da vida cotidiana em nossas estradas.

Esses veículos também irão necessitar de manutenção e reparo, e o tema da gestão térmica irá se tornar mais complexo. O controle de temperatura das baterias e da eletrônica de potência desempenha um papel tão importante como o aquecimento e arrefecimento do compartimento interno do veículo. Os componentes da climatização também são necessários para esses tipos de acionamento — e sua importância é cada vez maior, pois o sistema de ar-condicionado muitas vezes influencia direta ou indiretamente o arrefecimento das baterias e da eletrônica. Por conseguinte, o tema "manutenção do clima" irá desempenhar um papel ainda mais importante no futuro.

Sinopse das tecnologias híbridas

O termo "híbrido" significa mistura ou combinação. Na tecnologia automotiva, "híbrido" significa que um motor de combustão convencional foi combinado com os elementos de um veículo elétrico.

A tecnologia híbrida está se tornando cada vez mais exigente a nível técnico, dividindo-se em três categorias: tecnologia micro-híbrida, híbrida leve e híbrida total. Apesar das diferenças técnicas, todas essas tecnologias têm em comum o fato de a bateria usada ser carregada através da regeneração da energia de frenagem.

Micro-híbridos

Os veículos micro-híbridos possuem, em geral, um motor de combustão com sistema Start/Stop automático, bem como uma regeneração da energia de frenagem (chamada de recuperação).

Híbridos leves

Por sua vez, os veículos híbridos leves possuem também um pequeno motor elétrico e uma bateria mais potente. O motor auxiliar elétrico é exclusivamente usado como um apoio durante a partida, assim como para uma maior força de aceleração durante ultrapassagens — o chamado "Boost".

Híbridos totais

Os veículos híbridos totais dispõem não só do "Boost", mas também funcionam de modo puramente elétrico. Para isso, eles estão equipados com um trem de força totalmente elétrico. No entanto, esse requer uma bateria muito mais potente do que um veículo híbrido leve.

Híbridos plug-in

Os veículos híbridos plug-in permitem, por exemplo, o carregamento das baterias durante a noite. Outro aspecto positivo desse tipo de veículo é o fato de ser simultaneamente possível ajustar a temperatura do compartimento interno no valor desejado, mesmo antes de se iniciar a condução do veículo. Desse modo, na manhã seguinte, o veículo terá a temperatura ideal para iniciar a viagem. O híbrido plug-in é uma variante do híbrido total.

Alguns modelos atuais com a tecnologia híbrida total são o Toyota Prius, o BMW ActiveHybrid X6 (E72) ou o VW Touareg Hybrid. Os modelos BMW ActiveHybrid 7 e Mercedes S400 (F04) podem ser classificados como híbridos leves.

	Micro-híbrido	Híbrido leve	Híbrido total
Potência do motor elétrico/alternador	2–3 KW (Regeneração da energia de frenagem através do alternador)	10 – 15 KW	> 15 KW
Faixa de tensão	12 V	42 – 150 V	> 100 V
Poupança do consumo do combustível em comparação com motores convencionais	< 10 %	< 20 %	> 20 %
Funções que contribuem para a economia de combustível	– Função "Start-Stop" – Recuperação	– Função "Start-Stop" – Função "Boost" – Recuperação	– Função "Start-Stop" – Função "Boost" – Recuperação – Condução elétrica

Conforme é visível na sinopse, todas as tecnologias dispõem de diversas funções que contribuem para a economia de combustível. Essas quatro funções são sucintamente apresentadas em seguida.

O veículo para — o motor desliga automaticamente.

Pisar o pedal da embreagem, engatar a velocidade — o motor liga automaticamente.

Função "Start-Stop"

O motor de combustão desliga sempre que o veículo parar em um semáforo ou em uma fila de trânsito. O motor de combustão liga automaticamente, assim que o pedal da embreagem for pisado e for engatada a primeira marcha. Assim, ele fica imediatamente disponível para a continuação da viagem.

Frenagem do veículo — Carregamento da bateria com maior potência

Recuperação

A recuperação é uma tecnologia com a qual uma parte da energia de frenagem é recuperada. Normalmente, essa energia de frenagem é perdida em forma de calor dissipado. Durante a recuperação, o alternador do veículo é usado como freio do motor — complementarmente aos freios normais das rodas.

A energia produzida pelo alternador, durante a desaceleração, é transferida para o acumulador de corrente (bateria). Esse processo aumenta objetivamente a limitação do torque do motor, desacelerando o veículo.

Função — Função "Boost" — o motor de combustão e o motor elétrico fornecem a energia de marcha do veículo

Função "Boost"

Durante a fase de aceleração, os torques do motor de combustão e elétrico formam um torque composto pelos dois. Assim sendo, um veículo com tecnologia híbrida tem uma aceleração mais rápida do que um veículo com motorização convencional equivalente.

A função "Boost" apoia a partida e a aceleração durante ultrapassagens. Essa força é produzida por um motor elétrico auxiliar, o qual proporciona energia exclusivamente para essas duas funções. Exemplo: no VW Touareg Hybrid, a função "Boost" proporciona uma energia adicional de 34 KW.

Condução elétrica — Condução elétrica — Acionamento exclusivo pelo motor elétrico

Condução elétrica

Sempre que for necessária uma potência de acionamento reduzida como, por exemplo, durante a circulação na cidade, somente o motor elétrico fornece a energia de marcha. O motor de combustão está desligado. As vantagens desse tipo de acionamento são: zero emissões e zero consumo de combustível.

Com essas tecnologias no veículo, são também criadas novas condições que deverão ser tidas em consideração durante o trabalho diário.

Tensão elétrica na rede de bordo

Tensão elétrica na rede de bordo

Os requisitos e potências que o acionamento elétrico de um veículo híbrido/elétrico tem que cumprir e atingir não são compatíveis com as faixas de tensão de 12 ou 24 Volts. Aqui, são necessárias faixas de tensão mais elevadas.

Veículos com sistemas de alta voltagem são veículos que operam acionamentos e agregados conjugados com tensões de 30 Volts até 1.000 Volts AC (corrente alternada) ou 60 Volts até 1.500 Volts DC (corrente contínua). Isso se aplica à maioria dos veículos elétricos e híbridos.

Sistemas de alta voltagem em veículos elétricos

Por definição, um veículo elétrico é um veículo motorizado acionado por um motor elétrico. A energia elétrica necessária para mover esse veículo é retirada de uma bateria de tração (acumulador), ou seja, não de uma célula de combustível ou de um extensor de autonomia (range extender). Uma vez que o próprio veículo elétrico não emite poluentes relevantes durante o funcionamento, ele é classificado como sendo um veículo isento de emissões.

Em um veículo elétrico, as rodas são acionadas por motores elétricos. A energia elétrica é armazenada em acumuladores sob a forma de uma ou mais baterias de tração ou de alimentação.
Os motores elétricos controlados eletronicamente podem fornecer seu torque máximo, mesmo com o motor parado. Ao contrário dos motores de combustão interna, eles geralmente não requerem uma caixa de mudanças manual e podem acelerar logo a baixas velocidades, de forma potente. Os motores elétricos são mais silenciosos do que os motores a gasolina ou diesel; quase sem vibração e não emitem gases de escape nocivos. Com mais de 90%, sua eficiência é muito elevada.

A economia de peso devido à eliminação dos vários componentes (motor, caixa de mudanças, depósito) do motor de combustão é compensada pelo peso relativamente elevado dos acumuladores. Por conseguinte, os veículos elétricos são normalmente mais pesados do que os veículos correspondentes equipados com motores de combustão. A capacidade da(s) bateria(s) tem uma grande influência no peso do veículo e no preço.

No passado, os veículos elétricos tinham baixas autonomias com uma carga de bateria. Recentemente, entretanto, o número de carros elétricos que podem atingir autonomias de várias centenas de quilômetros está aumentando; são exemplo disso os seguintes modelos: Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
A fim de aumentar ainda mais a autonomia de veículos elétricos, são por vezes usados aparelhos adicionais (normalmente sob a forma de um motor de combustão) para produzir corrente elétrica. Aqui, nos referimos ao "extensor de autonomia" ou "Range Extender".

Vídeo sobre o tema

Veículos com sistemas de alta voltagem: avisos de segurança e componentes

O vídeo mostra, por exemplo, componentes de um veículo elétrico e avisos sobre o manejo de sistemas condutores de alta tensão.

Climatização e arrefecimento em veículos elétricos

Para que um veículo elétrico possa ser operado com um grau de eficiência particularmente elevado, poderá ser necessário manter a temperatura do motor elétrico, da eletrônica de potência e da bateria em uma faixa de temperatura otimizada. Para atingir esse objetivo, é necessário um sistema de gestão térmica especial.

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Sistema à base de agente de refrigeração (ou arrefecimento direto da bateria)

O circuito do sistema à base de agente de refrigeração consiste nos componentes principais: condensador, evaporador e unidade de bateria (células da bateria, placa de arrefecimento e aquecedor adicional elétrico). Ele é fornecido pelo circuito do agente de refrigeração do sistema de ar-condicionado e controlado separadamente por válvulas e sensores de temperatura. A descrição do modo de funcionamento dos componentes individuais pode ser encontrada na explicação do sistema à base de líquido de arrefecimento e de agente de refrigeração (b).

Circuito à base de agente de refrigeração

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Circuito à base de líquido de arrefecimento e de agente de refrigeração (ou arrefecimento indireto da bateria)

Quanto mais potentes forem as baterias, mais faz sentido o uso do circuito à base de líquido de arrefecimento e de agente de refrigeração (comparativamente complexo).
Nesse exemplo, o sistema de arrefecimento completo está dividido em vários circuitos, que dispõem separadamente de um radiador (radiador de baixa temperatura), bomba do líquido de refrigeração, termostato e válvula de fechamento do líquido de arrefecimento. O circuito do agente de refrigeração do sistema de ar-condicionado também é incorporado através de um trocador de calor especial (Chiller). Um aquecedor de alta voltagem do líquido de arrefecimento assegura um controle de temperatura adequado da bateria, a baixas temperaturas externas.

A temperatura do líquido de arrefecimento para o motor elétrico e a eletrônica de potência é mantida abaixo dos 60 °C, através do auxílio de um radiador de baixa temperatura, em um circuito independente (circuito interno do gráfico). De modo a atingir a potência máxima e garantir uma longa vida útil, é necessário manter a temperatura do líquido de arrefecimento continuamente entre cerca de 15 °C–30 °C. A temperaturas muito baixas, o líquido de arrefecimento é aquecido por um aquecedor adicional de alta voltagem. A temperaturas muito altas, o líquido é arrefecido por um radiador de baixa temperatura. Se esse arrefecimento não for suficiente, o líquido de arrefecimento é continuamente arrefecido por um Chiller que está integrado no circuito do líquido de arrefecimento e do agente de refrigeração. Durante esse processo, o agente de refrigeração do sistema de ar-condicionado passa pelo Chiller, refrigerando simultaneamente o líquido de arrefecimento que passa pelo Chiller. A completa regulagem é realizada com o auxílio de vários termostatos, sensores, bombas e válvulas.

Circuito à base de líquido de arrefecimento e de agente de refrigeração

Circuito à base de líquido refrigerante e refrigerante

O circuito de refrigeração e refrigerante para veículos elétricos é muito complexo. Todo o sistema de refrigeração é dividido em vários circuitos, que são explicados em mais detalhes aqui.

Descrição de componentes

Chiller – imagen 1

Chiller – imagen 2

Chiller

O Chiller é um trocador de calor especial conectado aos circuitos de líquido de arrefecimento e de agente de refrigeração, que permite que a temperatura do agente de refrigeração seja reduzida ainda mais pelo agente de refrigeração no sistema de ar-condicionado. Isso permite um arrefecimento indireto adicional do motor elétrico e da eletrônica de potência através do sistema de ar-condicionado, se necessário.

Radiador da bateria

Radiador da bateria

Em cada um dos lados das placas de arrefecimento, está localizado um segmento da bateria. Os segmentos da bateria e as placas de arrefecimento formam um módulo de bateria fixamente conectado. No caso do arrefecimento direto da bateria, o agente de refrigeração do sistema de ar-condicionado flui através das placas de arrefecimento. No caso do arrefecimento indireto da bateria, o líquido de arrefecimento flui através das placas de arrefecimento. Se a capacidade de arrefecimento não for suficiente para o arrefecimento indireto da bateria, o líquido de arrefecimento pode ser arrefecido adicionalmente através de um Chiller. O Chiller é um trocador de calor especial que é usado para o arrefecimento indireto da bateria e é integrado nos circuitos de agente de refrigeração e de líquido de arrefecimento.

Compressor elétrico

Compressor elétrico

O compressor é acionado eletricamente por alta tensão. Esse aspecto permite a climatização de veículos com o motor desligado. Além disso, o sistema de ar-condicionado permite arrefecer o líquido de arrefecimento.

Válvula de fechamento do líquido de arrefecimento/do agente de refrigeração

Válvula de fechamento do líquido de arrefecimento/do agente de refrigeração

As válvulas de fechamento do líquido de arrefecimento/do agente de refrigeração são controladas eletricamente e abrem/fecham partes do circuito do líquido de arrefecimento/agente de refrigeração conforme necessário ou interconectam vários circuitos.

Radiador de baixa temperatura

Radiador de baixa temperatura

A temperatura do líquido de arrefecimento para o motor elétrico e a eletrônica de potência é mantida abaixo dos 60 °C, através do auxílio de um radiador de baixa temperatura, em um circuito de arrefecimento independente.

Aquecedor de líquido de arrefecimento de alta voltagem

Aquecedor de líquido de arrefecimento de alta voltagem

A temperaturas muito baixas, o líquido de arrefecimento é aquecido por um aquecedor adicional elétrico de alta voltagem. Esse aquecedor está integrado no circuito de arrefecimento.

Termostato

Termostato

Os termostatos, sejam elétricos ou mecânicos, mantêm a temperatura do líquido de arrefecimento a um nível constante.

Aquecedor adicional elétrico/aquecedor adicional de alta voltagem

Aquecedor adicional elétrico/aquecedor adicional de alta voltagem

Os veículos elétricos carecem do calor de escape do motor, que é transferido para o líquido de arrefecimento. Portanto, é necessário aquecer o compartimento interno com a ajuda de um aquecedor adicional elétrico localizado no sistema de ventilação.

Eletrônica de potência

Eletrônica de potência

Sua função no veículo é controlar os motores elétricos, comunicar com o comando do veículo e realizar o diagnóstico do acionamento. A eletrônica de potência é composta por um módulo de comando eletrônico, um inversor e um conversor DC/DC. A fim de manter a eletrônica de potência dentro de uma determinada faixa de temperatura, ela é conectada ao sistema de arrefecimento/aquecimento do veículo.

Bateria de alta voltagem

Bateria de alta voltagem

A bateria de alta voltagem (bateria AV) é, juntamente com o motor elétrico, um dos principais componentes do veículo elétrico. Ela consiste em módulos de bateria interconectados, os quais, por sua vez, consistem em células. As baterias se baseiam geralmente na tecnologia de iões de lítio. Elas têm uma alta densidade de energia. Devido a uma reação química decrescente, o desempenho diminui significativamente a temperaturas inferiores a 0 °C. A temperaturas superiores a 30 °C., o processo de envelhecimento aumenta significativamente e a temperaturas superiores a 40 °C, a bateria pode ser danificada. A fim de alcançar a maior vida útil e eficiência possíveis, a bateria tem que ser operada em uma determinada faixa de temperatura.

Condensador

Condensador

O condensador é necessário para arrefecer o agente de refrigeração aquecido pelo processo de compressão no compressor. O gás do agente de refrigeração quente flui para o condensador e dissipa o calor através da tubulação e lamelas para o ar ambiente. Através do arrefecimento, o estado do agente de refrigeração muda de gasoso para líquido.

Bomba de água elétrica

Bomba de água elétrica

As bombas elétricas de água ou de líquido de arrefecimento, equipadas com um sistema de regulagem eletrônico, são ativadas continuamente e de acordo com a capacidade de arrefecimento necessária. Elas podem ser usadas como bombas principais, de corrente secundária ou de recirculação e trabalham de forma independente do motor e consoante a necessidade.

Climatização

Devido à sua alta eficiência, os acionamentos elétricos emitem pouco calor para o ambiente durante a operação e nenhum calor quando estão parados. Para aquecer o veículo a baixas temperaturas exteriores ou para descongelar os vidros, são necessários aquecedores adicionais. Esses são consumidores adicionais de energia e são muito importantes devido ao seu elevado consumo de energia. Eles consomem parte da energia armazenada na bateria, o que tem um efeito considerável sobre a autonomia, especialmente no inverno. Os aquecedores adicionais elétricos integrados no sistema de ventilação são uma solução simples, eficaz, mas também muito intensiva em energia. As bombas de calor energeticamente eficientes estão sendo usadas agora também.No verão, elas também podem ser usadas como sistema de ar-condicionado para o arrefecimento. Aquecedores de banco e janelas aquecidas trazem o calor diretamente para os pontos a serem aquecidos e, assim, também reduzem a necessidade de aquecimento para o compartimento interno. Os carros elétricos passam muitas vezes seus períodos de imobilização em estações de carga. Aí, o veículo pode ser previamente aquecido antes do início da viagem sem sobrecarregar a bateria. No caminho, é necessária muito menos energia para o aquecimento ou o arrefecimento. Os aplicativos para smartphones também estão agora disponíveis para comandar remotamente o aquecimento.

Gestão de carga e de descarga

Diferentes sistemas de gestão são usados para os acumuladores, que assumem o comando da carga e descarga, o monitoramento de temperatura, estimativa de autonomia e diagnóstico. A durabilidade depende, em grande parte, das condições de funcionamento e da conformidade com os limites de funcionamento. Os sistemas de gestão de bateria, incluindo a gestão da temperatura, evitam uma sobrecarga prejudicial e possivelmente crítica de segurança ou uma descarga profunda dos acumuladores e condições críticas de temperatura. O monitoramento de cada célula individual da bateria permite que você reaja antes que ocorram falhas ou danos em outras células. As informações de status também podem ser armazenadas para fins de manutenção e, em caso de erro, as mensagens correspondentes podem ser enviadas ao motorista.

Basicamente, a capacidade da bateria da maioria dos veículos elétricos atuais é suficiente para a maior parte dos trajetos de curta e média distância. Um estudo publicado em 2016 pelo Massachusetts Institute of Technology chegou à conclusão de que a gama de carros elétricos padrão atuais é suficiente para 87% de todas as viagens. No entanto, as autonomias flutuam significativamente. A velocidade do veículo elétrico, a temperatura exterior e, em especial, o uso do aquecimento e do ar-condicionado resultam em uma redução significativa do raio de ação. No entanto, os tempos de carga cada vez mais curtos e a constante expansão da infraestrutura de carregamento tornam possível aumentar ainda mais o raio de ação dos carros elétricos.

Procedimento base para os trabalhos em veículos elétricos e híbridos

Os veículos elétricos e híbridos são equipados com componentes de alta voltagem. Esses estão assinalados e identificados por placas de aviso. Além disso, todos os cabos de alta voltagem de todos os fabricantes estão assinalados com cor de laranja luminoso.

O seguinte procedimento se aplica quando se trabalha em veículos com sistemas de alta voltagem:
1. Desconectar a tensão elétrica
2. Bloquear contra uma reativação inadvertida
3. Assegurar a desconexão elétrica

Consulte sempre as especificações do fabricante de veículos e nossas dicas para a oficina.

Como (colaborador de) oficina, a que devo prestar atenção?

Ligar e mover o veículo: para poder dirigir um veículo com um sistema de alta voltagem — mesmo que somente de ou para a oficina — o respectivo pessoal tem que ser instruído
Serviço e manutenção: os trabalhos de serviço e manutenção (troca de rodas, inspeção) em veículos de alta voltagem somente podem ser realizados por pessoas que tenham sido devidamente advertidas para os perigos inerentes a sistemas de alta voltagem e que tenham sido instruídos por um "Técnico qualificado para trabalhos em veículos de alta voltagem (AV) intrinsecamente seguros".
Substituição de componentes de alta voltagem: as pessoas que substituam componentes de alta voltagem, como por exemplo um compressor de ar-condicionado, devem possuir as qualificações adequadas (técnico qualificado para trabalhos em veículos de alta voltagem (AV) intrinsecamente seguros).
Substituição da bateria: O reparo ou a substituição de componentes de alta voltagem sob tensão (bateria) requer uma qualificação especial.
Assistência em caso de falha/reboque/resgate: qualquer pessoa que preste assistência em caso de falha em veículos com sistemas de alta voltagem ou que reboque ou resgate os mesmos deve ter sido instruída quanto à estrutura e funcionamento de veículos e respectivos sistemas de alta voltagem. Além disso, devem ser previamente tidos em consideração os respectivos avisos do fabricante de veículos. Se os componentes de alta voltagem (baterias) estiverem danificados, o corpo de bombeiros deve ser chamado.

Climatização do compartimento interno

Em conceitos convencionais de acionamento com motor de combustão, a climatização do compartimento interno depende diretamente do funcionamento do motor, uma vez que compressor é acionado mecanicamente. Nos veículos descritos pelos profissionais como micro-híbridos e somente com uma função "Start/Stop", também são usados compressores com transmissão por correia. Esse fato resulta no seguinte problema: com o veículo parado ou o motor desligado, a temperatura na saída do evaporador do sistema de ar-condicionado sobe logo após 2 segundos. O aumento lento da temperatura de sopro da ventilação e o aumento da umidade no ar são considerados desagradáveis pelos ocupantes do veículo.

Para combater esse problema, no futuro, serão usados acumuladores de frio recém-desenvolvidos, os designados evaporadores acumuladores.

Evaporador acumulador

Representação esquemática — Evaporador acumulador — Representação esquemática — Evaporador acumulador: 1 Bloco de evaporação com profundidade de 40 mm, 2 Bloco de acumulação com profundidade de 15 mm, 3 Agente de refrigeração, 4 Fluido latente, 5 Rebite cego

O evaporador acumulador é composto por dois blocos: um bloco de evaporação e um de acumulação. Na fase "Start" ou com o motor em funcionamento, ambos os blocos são percorridos com agente de refrigeração. Entretanto, um fluido latente que se encontra no evaporador é arrefecido até congelar. Desse modo, ele se transforma em um acumulador de frio.

Na fase "Stop", o motor está desligado e, consequentemente, o compressor não é acionado. O ar quente que passa pelo evaporador arrefece e é efetuada uma troca de calor. Essa troca decorre até o fluido latente ter derretido totalmente. Após a retomada da marcha, o processo é reiniciado, de modo que, após um minuto, o evaporador acumulador tem novamente capacidade para arrefecer o ar.

Em veículos sem um evaporador acumulador, com um tempo muito quente, é necessário ligar novamente o motor após um curto período de imobilização. Somente desse modo é possível assegurar o arrefecimento do compartimento interno.
A climatização do compartimento interno do veículo também inclui o aquecimento do espaço previsto para o motorista e os passageiros, em caso de necessidade. Em veículos híbridos totais, o motor de combustão é desligado na fase da condução elétrica. O calor residual existente no circuito de água somente é suficiente para o aquecimento do compartimento interno por um curto período de tempo. Como auxílio, são ligados aquecedores de ar adicionais de alta voltagem, que assumem a função de aquecimento. O modo de funcionamento é semelhante ao de um secador de cabelo: o ar aspirado pelo ventilador de ar do compartimento interno é aquecido ao circular nos elementos de aquecimento, fluindo em seguida para o compartimento interno.

Compressor de alta voltagem

Funcionamento do compressor de alta voltagem

Em veículos com tecnologia híbrida total, são usados compressores de alta voltagem elétricos que não dependem do funcionamento do motor de combustão. Através desse inovador conceito de acionamento, são possibilitadas funções que conduzem a um aumento complementar do conforto no segmento da climatização de veículos.

Existe a possibilidade de pré-arrefecer o compartimento interno aquecido, antes do início da marcha, à temperatura pretendida. Esse comando é possível através de um comando remoto.

Esse arrefecimento independente somente pode ser efetuado em função da disponibilidade da capacidade da bateria. Nesse sentido, o compressor é controlado com a menor potência possível, tendo em consideração os requisitos necessários para a climatização.

Nos compressores de alta voltagem usados atualmente, a regulação da potência ocorre através de uma adaptação adequada da rotação em níveis de 50 min-1. Desse modo, é possível abdicar de uma regulação interna da potência.

Contrariamente ao princípio da placa oscilante, aplicado prioritariamente na área dos compressores acionados por correia, nos compressores de alta voltagem se recorre ao princípio "Scroll" para comprimir o agente de refrigeração. As vantagens são: uma redução do peso de aprox. 20% e uma diminuição da cilindrada pelo mesmo valor com potência idêntica.

Para produzir o torque correspondentemente elevado para o acionamento do compressor, nesse caso, recorre-se a uma corrente contínua acima de 200 Volts — uma tensão muito elevada no setor dos veículos motorizados. O inversor integrado na unidade do motor elétrico converte essa corrente contínua em corrente alternada trifásica, da qual o motor elétrico sem escovas necessita. A dissipação necessária de calor do inversor e dos enrolamentos do motor é possibilitada pela passagem do fluxo de retorno do agente de refrigeração para o lado de aspiração.

Gestão térmica da bateria

Gestão da temperatura da bateria

A bateria é essencial para o funcionamento dos veículos elétricos e híbridos. Essa tem que disponibilizar de forma fiável e rápida as quantidades significativas de energia necessárias para o acionamento. Geralmente, trata-se de baterias de alta tensão de níquel-hidreto metálico e de iões de lítio. Com essa nova tecnologia, são reduzidos o tamanho e o peso das baterias de veículos híbridos.

É imperativo que as baterias usadas funcionem em um determinado intervalo de temperatura. A partir de uma temperatura de serviço de +40 °C, a vida útil diminui; abaixo de -10 °C, o rendimento baixa e a potência desce. Além disso, a diferença da temperatura entre as várias células não pode ser superior a um determinado valor.

Picos de carga curtos associados a correntes altas como recuperação e "Boosts" provocam um aquecimento significativo das células. Adicionalmente, elevadas temperaturas externas, nos meses de verão, implicam que a temperatura atinja rapidamente o valor crítico de 40° C.

A consequência de uma temperatura excessiva é o rápido envelhecimento e, com isso, a associada falha prematura da bateria. Os fabricantes de veículos ambicionam uma vida útil aritmética da bateria equivalente à duração de 1 vida do carro (aprox. 8–10 anos). Assim sendo, o processo de envelhecimento somente pode ser combatido com a respectiva gestão da temperatura.

Até ao momento, são usadas três possibilidades diferentes da gestão da temperatura.

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Possibilidade 1

O ar é aspirado do compartimento interno climatizado do veículo e é usado para arrefecer a bateria. O ar frio aspirado do compartimento interno do veículo tem uma temperatura inferior a 40 °C. Esse ar é usado para circular pelas áreas de livre acesso do conjunto da bateria.

As desvantagens dessa possibilidade são:

A baixa eficiência de arrefecimento.
O ar aspirado do compartimento interno não pode ser usado para uma redução uniforme da temperatura.
O sistema complexo para a condução do ar.
Ruídos eventualmente incomodativos no compartimento interno, provocados pelo ventilador.
Devido aos canais de ar, existe uma conexão direta do compartimento dos passageiros à bateria. Essa característica é problemática em termos de segurança (p. ex., liberação de gases da bateria).
Considerando que o ar do compartimento interno também contém poeiras, não deve ser desvalorizado o perigo da infiltração de sujeira no conjunto da bateria. A poeira se deposita entre as células e, juntamente com a umidade do ar condensada, formam uma camada condutora. Essa camada favorece a formação de correntes de fuga na bateria.

Para enfrentar esse perigo, o ar aspirado é filtrado. Em alternativa, a refrigeração por ar também pode ser efetuada por um aparelho de ar-condicionado pequeno separado, semelhante aos sistemas de ar-condicionado traseiros separados nos veículos da gama de luxo.

O ar é aspirado do interior do veículo com ar condicionado e é usado para arrefecer a bateria.

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Possibilidade 2

Uma célula de bateria especial, integrada na placa do evaporador, é conectada ao sistema de ar-condicionado existente no veículo. Isso ocorre no designado processo de divisão no lado de alta e de baixa pressão, através de tubulações e uma válvula de expansão. Desse modo, o evaporador do compartimento interno e a placa do evaporador da bateria (que funciona como um evaporador convencional) estão conectados no mesmo circuito.

As diferentes funções de ambos os evaporadores resultam, respectivamente, em diferentes requisitos do fluxo do agente de refrigeração. Enquanto o arrefecimento do compartimento interno tem a finalidade de satisfazer as necessidades de conforto dos ocupantes do veículo, a bateria de alta voltagem tem que ser refrigerada com maior ou menor intensidade, consoante o tipo de condução e a temperatura ambiente.

Esses requisitos resultam em uma complexa regulagem da quantidade do agente de refrigeração evaporado. O formato especial da placa do evaporador e a integração na bateria possibilitada pelo mesmo oferecem uma grande superfície de contato para a troca de calor. Assim, é possível garantir que não é excedida a temperatura máxima superior crítica de 40 °C.

Perante temperaturas exteriores muito baixas, seria necessário aumentar a temperatura para a temperatura ideal da bateria, em, pelo menos, 15 °C. Contudo, nessa situação, a placa do evaporador não pode ajudar. Uma bateria fria é menos eficiente do que uma à temperatura certa e, a temperaturas claramente abaixo do ponto de congelação, é praticamente impossível de carregar. No híbrido leve, é possível tolerar esse fato: em circunstâncias extremas, a função híbrida está disponível, mas somente de forma limitada. No entanto, é possível a condução com o motor de combustão. No caso de um veículo puramente elétrico, é necessário instalar um aquecimento da bateria, de modo a garantir o funcionamento permanente durante os meses de inverno.

Aviso
As placas do evaporador que estão diretamente integradas na bateria não podem ser substituídas individualmente. Por essa razão, em caso de danos, a bateria tem que ser sempre substituída na sua totalidade.

Uma placa evaporadora especial dentro da célula da bateria está ligada ao sistema de ar condicionado do veículo.

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Possibilidade 3

Em baterias com maior capacidade, o controle correto da temperatura assume uma grande importância. Por isso, com temperaturas muito baixas, é necessário realizar um aquecimento adicional da bateria, de forma a colocá-la na faixa de temperatura ideal. Somente nessa faixa de temperatura é possível atingir uma autonomia satisfatória no modo de "Condução elétrica".

Para efetuar esse aquecimento adicional, a bateria é integrada em um circuito secundário. Esse circuito garante a manutenção constante da temperatura de serviço ideal de 15–30 °C.

No bloco da bateria, uma placa de arrefecimento é percorrida por líquido de arrefecimento, composto por água e glicol (circuito verde). A baixas temperaturas, o líquido de arrefecimento pode ser aquecido rapidamente com um aquecimento, de modo a atingir a temperatura ideal. Se a temperatura da bateria aumentar durante o uso das funções híbridas, o aquecimento é desligado. Nesse caso, o líquido de arrefecimento pode ser arrefecido pelo radiador da bateria ou pelo radiador de baixa temperatura que se encontra na dianteira do veículo através da exposição ao vento contrário.

Caso o arrefecimento gerado pelo radiador da bateria não seja suficiente com temperaturas exteriores elevadas, o líquido de arrefecimento passa por um trocador de calor especial. Aqui, é realizada a evaporação do agente de refrigeração do sistema de ar-condicionado do veículo. Além disso, também é possível transferir calor do circuito secundário para o agente de refrigeração a evaporar, de forma muito compacta e com elevada densidade de potência. Ocorre um arrefecimento em circuito fechado adicional do líquido de arrefecimento. O uso de um trocador de calor especial permite operar a bateria no intervalo de temperatura de rendimento otimizado.

É necessário um aquecedor de bateria adicional em temperaturas muito baixas para garantir que a faixa de temperatura ideal seja alcançada.

Treinamento complementar necessário para o reparo de veículos elétricos e híbridos

Para se poder efetuar a manutenção e o reparo de sistemas complexos, especialmente também para a gestão térmica, em veículos híbridos, é imprescindível um treinamento complementar permanente. Na Alemanha, por exemplo, os colaboradores que realizam trabalhos nesse tipo de sistemas de alta voltagem necessitam de um treinamento adicional de 2 dias como "Técnico qualificado para trabalhos em veículos de alta voltagem (AV) intrinsecamente seguros".

Os conhecimentos aí adquiridos permitem avaliar o perigo em trabalhos necessários no sistema, e, por outro lado, também permitem eliminar a tensão durante esses mesmos trabalhos. É proibido efetuar trabalhos em sistemas de alta voltagem ou respectivos componentes sem um treinamento adequado. O reparo ou a substituição de componentes de alta voltagem sob tensão (bateria) requer uma qualificação especial.

Manutenção de veículos elétricos e híbridos

Ferramentas para trabalhos no sistema de alta voltagem

Também durante os trabalhos normais de inspeção e de reparo (como, por exemplo, nos sistemas de escape, pneus, amortecedores, mudança do óleo, troca dos pneus, etc.) existe uma situação especial. Também esses somente devem ser realizados por colaboradores que tenham sido devidamente advertidos para os perigos inerentes a
sistemas de alta voltagem e que tenham sido instruídos por um "Técnico qualificado para trabalhos em veículos de alta voltagem (AV) intrinsecamente seguros". Além disso, é fundamental usar ferramentas que cumpram as especificações dos fabricantes de veículos híbridos!

As oficinas estão obrigadas a instruir todos os colaboradores envolvidos na operação, manutenção e reparo de veículos elétricos e híbridos. Observar as respectivas condições específicas do país.

Assistência em caso de falha, reboque e resgate de veículos elétricos e híbridos

Os motoristas de veículos com sistemas de alta voltagem (AV) não estão expostos a quaisquer riscos elétricos diretos — nem mesmo em caso de falha. Um grande número de medidas tomadas pelos fabricantes de veículos salvaguardam o sistema de alta voltagem.

A assistência em caso de falha também não representa perigo para veículos com sistemas de alta voltagem, desde que não seja necessária qualquer intervenção no sistema de alta voltagem para eliminar falhas.

Contudo, existem perigos no caso de um serviço de assistência em caso de falha ou ao rebocar veículos que tenham sido danificados em um acidente ou que tenham que ser resgatados da neve ou da água. Embora a segurança intrínseca dos veículos para a proteção contra os perigos de choque elétrico ou arco elétrico seja muito alta, não existe uma segurança completa ou a 100% para cada caso de dano. Em caso de dúvida, devem ser tidas em consideração ou solicitadas as informações pertinentes do fabricante de veículos.

Componentes de alta tensão do compartimento do motor

Como reconheço que o veículo tem um sistema de alta voltagem?

Na inscrição no painel de instrumentos ou no veículo
Em cabos cor de laranja de alta voltagem (ver figura). Geralmente se aplica o seguinte: mantenha-se afastado de componentes de alta voltagem e de cabos cor de laranja!
Na marcação nos componentes de alta voltagem (ver figura)

Quem está autorizado a prestar assistência em caso de falha?

A assistência em caso de falha no caso de veículos elétricos e híbridos pode ser prestada por qualquer pessoa especialmente qualificada para o efeito. O pessoal do serviço de assistência em caso de falha é, portanto, instruído sobre a estrutura e funcionamento de veículos com sistemas de alta voltagem. Aplicam-se os requisitos e condições específicos do país para trabalhos não elétricos. (Para a Alemanha, aplica-se a DGUV Informação 200-005 "Qualificação para trabalhos em veículos com sistemas de alta voltagem" (anteriormente BGI 8686). Observar as respectivas condições específicas do país.)

Disconnector — Conector de corte/Disconnector

Quais são os primeiros passos na assistência em caso de falha?

Retirar a chave da ignição (advertência: os sistemas transpônder ligam automaticamente em caso de aproximação) e, em seguida, desconectar o conector de corte/Disconnector da bateria de alta voltagem.
Controle visual de todos os componentes de alta voltagem quanto a danos.
Não realizar trabalhos nos componentes de alta voltagem. Esses somente podem ser realizados por pessoas qualificadas para trabalhar em veículos com sistemas de alta voltagem. Isso também se aplica se, durante a assistência em caso de falha, os componentes de alta voltagem forem danificados ou forem detectados danos.
Uma tensão residual também pode estar presente após o sistema de alta voltagem ter sido desligado — vários minutos, dependendo do fabricante.

Partidas externas, reboque e resgate — O que deve ser observado?

Partidas externas

É imperativo observar as especificações do fabricante. Somente em alguns veículos é possível uma partida externa através da rede de bordo de 12/24 V DC. Após o desligamento, podem estar presentes tensões residuais perigosas, que não são descarregadas através de resistências de descarga contínua. Antes de abrir, observe as instruções do manual de instruções e/ou informações técnicas do fabricante de veículos.

Resgate e reboque

Os veículos não danificados podem geralmente ser carregados em um veículo de resgate (veículo plataforma).
Ao rebocar com uma barra ou corda, devem ser respeitadas as especificações do fabricante.
Para o resgate seguro de veículos, devem ser consideradas todas as medidas do capítulo "Assistência segura no caso de veículos elétricos".
Se o veículo for puxado/resgatado com um guincho, nenhum componente de alta voltagem pode ser danificado ou estar localizado na área dos pontos de fixação ou de apoio. O mesmo se aplica ao elevar com um macaco ou guindaste.

Comportamento em caso de acidente

Em caso de acidente, na maioria dos casos, o sistema de alta voltagem é desligado quando o airbag é acionado. Isso se aplica a quase todos os veículos de passageiros, mas não necessariamente aos veículos utilitários.
Para poder trabalhar sem riscos, devem ser tidas em consideração todas as medidas do capítulo "Procedimentos base para trabalhos em veículos elétricos e híbridos".
Alguns fabricantes recomendam ou prescrevem que o terminal negativo da bateria da rede de bordo de 12/24 V DC seja desligado (mais informações também podem ser encontradas nas respectivas orientações de salvamento).
Se as baterias de alta voltagem ou os condensadores de alta voltagem (acumuladores de energia em veículos utilitários) tiverem sido danificados ou arrancados devido a um acidente, isso representa um perigo especial. Nesse caso, deve-se pedir ajuda aos bombeiros ou à THW (Agência Federal de Socorro Técnico). Ao manejar baterias de alta voltagem danificadas, é necessário um equipamento de proteção individual adequado (proteção facial, luvas de proteção para trabalhos em componentes sob tensão).
Os fluidos vazados da bateria podem ser corrosivos ou irritantes, dependendo do tipo de bateria. O contato deve ser sempre evitado. Após um acidente, não se pode excluir a possibilidade de as baterias de alta voltagem se incendiarem posteriormente devido a reações internas. Por conseguinte, os veículos acidentados não devem ser estacionados em espaços fechados.

Não ajuda em nada

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