A próxima geração de sistemas híbridos da Audi: conheça a nova tecnologia MHEV plus
Com os novos A5 e Q5 construídos sobre a Plataforma Premium de Combustão (PPC), a Audi lançou os seus primeiros motores de combustão com a nova tecnologia MHEV plus. Com a sua interação única entre o gerador do grupo motopropulsor (PTG – Powertrain generator), o arranque através do alternador por correia (BAS) e uma bateria de fosfato de ferro de lítio, o sistema mild hybrid de 48 volts apoia o motor a combustão, reduz as emissões de carbono e, simultaneamente, aumenta a performance e a agilidade.
O PTG, que pode ser totalmente acoplado ou desacoplado, possui uma gestão eletrónica integrada e um motor elétrico que possibilita uma condução parcialmente elétrica, permitindo reduzir o consumo e proporcionar uma experiência de condução ainda mais confortável e suave.
“Com a nova tecnologia MHEV plus, estamos a impulsionar a eletrificação nos nossos novos veículos com motor de combustão baseados na Plataforma Premium de Combustão (PPC), adaptada às necessidades dos nossos clientes”, afirmou Geoffrey Bouquot, membro do Conselho de Administração para o Desenvolvimento Técnico da AUDI AG. “Esta tecnologia irá reforçar a nossa oferta de modelos totalmente elétricos, híbridos plug-in e veículos com motores de combustão eficientes.” O MHEV plus oferece funções atrativas, como a condução em modo parcialmente elétrico e um aumento significativo da eficiência e do conforto.
O sistema mild hybrid dos novos Audi A5 e Q5 é composto por três componentes principais: o novo gerador (PTG), de conceção compacta, com gestão eletrónica integrada e um motor síncrono de íman permanente (PSM), uma bateria de 48 volts e motor de arranque operado através de alternador por correia (BAS). Os componentes do sistema de 48 volts têm refrigeração líquida para obter condições ótimas de funcionamento. A arquitetura do sistema MHEV plus pode ser integrada em vários modelos com sistemas de tração dianteira e quattro baseados na Plataforma Premium de Combustão (PPC). O arrefecimento líquido específico da unidade de potência e do motor elétrico permite que os componentes sejam operados em condições ótimas de funcionamento, de modo a satisfazer as exigências de potência e de binário em todos os momentos. A nova tecnologia MHEV plus permite atuação puramente elétrica e pode também apoiar o motor de combustão. O sistema aumenta, assim, a performance e a agilidade do veículo.
Por exemplo, no A5 2.0 TDI (150 kW, tração dianteira ou quattro) (consumo combinado de combustível em l/100 km: 4,8-5,3; emissões combinadas de CO2 em g/km: 126-139), podem ser poupados até 10 g/km ou 0,38 l/100 km; e num 3.0 TFSI com motor V6 (270 kW quattro) (consumo combinado de combustível em l/100 km: 7,6-7,7; emissões combinadas de CO2 em g/km: 172-175 g/km), são possíveis poupanças de até 17 g/km ou 0,74 l/100 km (de acordo com a norma WLTP).
O gerador enquanto potente módulo de potência adicional
Outra grande vantagem é o facto de o sistema MHEV plus melhorar a performance e o conforto de condução. Embora compacto, o potente módulo de acionamento elétrico do novo sistema MHEV plus é o gerador do grupo mecânico (PTG). Este componente também representa a maior diferença em relação à tecnologia MHEV anteriormente oferecida pela Audi, que funciona exclusivamente com um alternador por correia. O PTG, que é instalado numa unidade eletrónica compacta integrada diretamente no veio de saída da transmissão, pode contribuir com até 18 kW (24 cv) de energia elétrica extra para a transmissão. O módulo permite um binário máximo de 230 Nm à saída da transmissão, tornando-se disponível como binário de propulsão quando o veículo está em movimento. A transmissão compacta do PTG funciona com uma relação de 3,6:1. O MHEV plus utiliza o PTG até uma velocidade máxima de 140 km/h para uma eficiência máxima. A velocidades mais elevadas, o PTG desengata-se do sistema de tração através de uma embraiagem integrada.
O PTG pesa cerca de 21 kg e roda até um máximo de 5.550 rpm no veio de saída. Dependendo do veículo e da variante de tração, corresponde a uma velocidade de 130 a 140 km/h.
Com modificações mínimas nas peças e componentes circundantes, foi criado o espaço necessário para integrar um motor elétrico na saída do veio dentro dos limites do túnel de transmissão. A colocação imediatamente atrás da caixa de velocidades oferece várias vantagens: os 18 kW de potência motriz ou até 25 kW de potência da travagem regenerativa fornecidos pelo PTG estão disponíveis diretamente à saída do eixo, sem quaisquer perdas. Graças a esta configuração, o PTG pode ser utilizado tanto em veículos com tração dianteira como em veículos com tração integral, sem exigir modificações e de forma modular.
Para satisfazer os elevados requisitos de conforto, foi assegurado um controlo preciso do binário, da corrente e da velocidade do motor elétrico. O intervalo de temperaturas de funcionamento estende-se entre os 40 graus Celsius negativos e os 75 positivos. Um circuito de água envolve o motor elétrico e também refrigera o módulo eletrónico compacto e altamente integrado no circuito de refrigeração comum, que é montado diretamente no motor elétrico para poupar espaço. Os módulos de potência de elevada performance estão dispostos em torno do dissipador de calor dentro da unidade eletrónica. Os condensadores do circuito intermédio estão rodeados pelo dissipador de calor de forma a poupar espaço e a otimizar a temperatura.
Desenvolvimento centrado nas necessidades dos clientes
A Audi desenvolveu a tecnologia MHEV plus com os olhos postos nas necessidades apontadas pelos clientes. As mecânicas convencionais disponíveis com a primeira geração de start-stop ou mild hybrid baseiam-se em componentes-chave de eficiência, tais como a paragem do motor quando o veículo está imobilizado, a marcha lenta, a roda livre com o motor desligado e a recuperação de energia de 12 ou 48 volts. As principais vantagens do aumento do grau de eletrificação com a nova tecnologia incluem a comodidade acrescida do funcionamento do start-stop, o coasting sem emissões, a recuperação de energia, a condução parcialmente elétrica, por exemplo, em situações de estacionamento e manobras a baixa velocidade, e o aumento da performance graças ao apoio elétrico fornecido ao motor de combustão.
Tais feitos permitem que o veículo seja conduzido de forma puramente elétrica, permanecendo o motor de combustão desligado durante mais tempo, por exemplo, quando se conduz lentamente em cidade, ou quando o trânsito flui lentamente nas estradas fora da cidade. Além disso, a resposta de arranque do veículo é significativamente melhorada e mais espontânea, porque o PTG fornece um binário extra de até 230 Nm, mesmo a baixas velocidades, resultando numa reatividade visivelmente superior, o que se traduz num ganho de agilidade claramente percetível, especialmente durante os primeiros metros do arranque.
A velocidades entre 0 e um máximo de 140 km/h, o PTG pode apoiar o motor de combustão, ou seja, o MHEV plus oferece uma potência elétrica adicional de até 18 kW, permitindo que o motor de combustão funcione da forma mais eficiente possível. Nesta faixa de velocidades, o PTG pode recuperar até 25 kW de energia através da travagem regenerativa até pouco antes da imobilização do veículo. O sistema integrado de controlo dos travões assegura uma travagem sem pressão e uma travagem regenerativa otimizada, geralmente sem utilizar os travões de fricção. Graças ao compressor elétrico do ar condicionado, o MHEV plus permite também o funcionamento contínuo do sistema de climatização mesmo quando o motor de combustão está desligado, por exemplo, quando o veículo se encontra parado num sinal vermelho.
BAS, bateria de iões de lítio e iBRS: uma combinação ideal
Como parte da tecnologia MHEV plus, o motor de arranque com alternador por correia (BAS) é responsável pelo arranque do motor a combustão e pelo fornecimento de energia elétrica à bateria.
A bateria de iões de lítio fabricada com fosfato de ferro de lítio (LFP) tem uma capacidade de armazenamento de 37 amperes-hora, o que corresponde a pouco menos de 1,7 kWh (bruto). A sua potência máxima de descarga é de 24 kW. Devido aos requisitos de disponibilidade, potência e binário, a bateria está integrada num circuito de arrefecimento a água a baixa temperatura que assegura condições ótimas entre 25 e 60 graus Celsius. Esta é a primeira vez que a Audi está a utilizar uma bateria LFP nos seus sistemas mild hybrid.
O sistema integrado de controlo de travagem (iBRS) desempenha um papel importante na recuperação de energia. Nos modelos com tecnologia MHEV plus, o iBRS assegura uma travagem sem pressão e consegue a desaceleração necessária através da travagem regenerativa sem utilizar o travão mecânico das rodas. Os travões mecânicos só são aplicados quando o pedal de travão é pressionado com mais força, não tendo qualquer efeito sobre a sensação de travagem.
A ação sofisticada do sistema MHEV plus
Num sistema híbrido, a regra geral é que uma bateria carregada entre 50 e 60% funciona de forma mais eficiente, uma vez que pode fornecer correntes elevadas ao motor elétrico e armazenar correntes de carga elevadas durante a recuperação de energia. O foco do sistema híbrido não está na autonomia elétrica, mas sim na descarga e recarga da bateria em ciclos rápidos, permitindo que a maior quantidade possível de energia seja recuperada e rapidamente reutilizada de forma eficiente para a condução.
Com a tecnologia MHEV plus, um software de controlo avalia o estado de funcionamento do veículo para uma interação ideal entre o motor de combustão, o PTG e o BAS. Para tal, são armazenados valores caraterísticos que permitam a utilização ótima dos dois motores elétricos e níveis desejados de binário para propulsão ou recuperação de energia. O estado de carga da bateria também é tido em consideração. O objetivo é um funcionamento estável – e o sistema de controlo alcança resultados diferentes consoante a situação, uma vez que a estratégia de funcionamento dos motores elétricos adicionais é otimizada para se conjugar com o motor de combustão. O resultado é o menor consumo possível sem comprometer a dinâmica e o conforto de condução.
A estratégia de funcionamento tem em conta o modo de transmissão selecionado e a modulação do pedal do acelerador. Por exemplo, no modo de condução D, a potência elétrica extra total de 18 kW, no máximo, só é aplicada pelo gerador a partir de aproximadamente 80% do pedal do acelerador ou em kickdown. No modo de condução S, os 18 kW de potência adicional já estão disponíveis com valores de pressão inferiores no pedal do acelerador. Em D, o PTG pode ser desacoplado a partir de 85 km/h para evitar perdas no motor elétrico quando se conduz a uma velocidade constante com o motor de combustão em autoestradas e estradas fora dos limites da cidade. Em S, no entanto, o PTG permanece acoplado até ao regime máximo admissível do motor (5.550 rpm) para permitir uma reação espontânea em qualquer altura.
No que diz respeito aos modos de condução D e S, a estratégia de funcionamento diferencia-se particularmente no que diz respeito ao SoC (estado de carga – State of Charge) pretendido da bateria de 48 volts. No modo D, um SoC médio de 50 a 55% proporciona o equilíbrio ideal para ter energia suficiente disponível para o apoio elétrico do motor de combustão até à condução parcialmente elétrica. Este SoC é também suficiente para armazenar os elevados volumes de energia recuperada que provêm de fases de travagem suaves e mais longas perante semáforos ou ao entrar nas cidades. Em S, um SoC alvo mais elevado, de cerca de 70%, assegura uma maior quantidade de energia disponível para o apoio elétrico do motor de combustão para uma condução mais desportiva. Como seria de esperar, a condução desportiva envolve fases de travagem mais curtas e mais intensas, o que significa que há menos energia para recuperar.
A utilização do gerador do grupo mecânico também oferece vantagens em termos dinâmicos, uma vez que o binário adicional e imediatamente disponível significa que o veículo pode reagir de forma mais espontânea às mudanças de carga e acelerar de forma mais ágil nas curvas. O tipo de mudança de carga é também modulado de forma diferente nos modos D e S para permitir um comportamento mais confortável em D e um comportamento mais reativo e dinâmico em S.
Os modelos com MHEV plus também podem funcionar de forma puramente elétrica, por exemplo quando o veículo se aproxima de uma cidade, e podem então manter a sua velocidade com a ajuda do PTG. Se a potência requerida pelo condutor ou pelo Adaptive Cruise Control (ACC) exceder um determinado valor, o motor de combustão arranca e assume a propulsão. O limiar de arranque depende do SoC atual da bateria de 48 volts e da velocidade do veículo.
Se o SoC atual for inferior ao SoC pretendido, o motor de combustão é acionado mais cedo. Por um lado, evita o consumo de energia adicional para a condução elétrica e, assim, baixa ainda mais o SoC. Por outro lado, o motor de combustão pode aumentar novamente o SoC conforme necessário, através do aumento da potência em conjunto com o BAS e o PTG – por outras palavras, recarregar a bateria. Tal não se aplica às manobras em modo elétrico, às baixas velocidades no trânsito ou ao estacionar, que podem ser mantidas com um estado de carga significativamente mais baixo.
Se o SoC atual estiver acima do SoC alvo, o motor de combustão liga-se mais tarde, quando há uma procura ligeiramente maior de energia. Ao fazê-lo, a bateria de 48 volts descarrega-se em direção ao SoC alvo, de modo a poder absorver energia suficiente durante as futuras fases de recuperação de energia. À medida que a velocidade do veículo aumenta, o limiar para solicitar energia do motor de combustão é reduzido. Em termos simples, significa que quanto maior for a velocidade, mais o motor de combustão alimenta o automóvel.
Em combinação com o que está no depósito, os ganhos de eficiência mecânica aumentam visivelmente a autonomia global do veículo, tornando os automóveis equipados com a tecnologia MHEV plus consideravelmente mais adequados para viagens de longa distância, tornando essas viagens muito mais confortáveis.