Novas tecnologias de indução recarregam grandes veículos elétricos à distância

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/03/2023

O professor Yujing Liu mostra o sistema de carregamento indutivo de 500 kW, suficiente para recarregar as baterias de balsas, caminhões e ônibus elétricos.
[Imagem: Chalmers University of Technology]

Recarregamento sem fios

Um tipo de semicondutor emergente, feito a partir do carbeto de silício, e um novo método de fabricação e montagem dos tradicionais fios de cobre.

Estes são os fatores que estão tornando mais realista a transmissão de eletricidade pelo ar em alta potência, necessária para recarregar veículos elétricos de grande porte.

A combinação das duas técnicas acaba de ser demonstrada pelo professor Yujing Liu, da Universidade Chalmers de Tecnologia, na Suécia.

Embora o recarregamento indutivo - sem necessidade de plugues - das baterias dos carros elétricos já esteja em teste em vários lugares do mundo, a coisa é muito mais complicada quando falamos de transportes públicos, de ônibus e trens a balsas, ou mesmo veículos que operam na agricultura ou na mineração.

Nesses casos, para ser prático, o recarregamento indutivo deve ser rápido e de alta potência.

"Você pode ter um sistema embutido no cais que carrega uma balsa, ao mesmo tempo em que os passageiros embarcam e desembarcam. Automático e totalmente independente do clima e do vento, o carregamento pode ocorrer de 30 a 40 vezes por dia. Isso é provavelmente a aplicação mais óbvia," exemplifica o professor Liu.

"Sistemas anteriores para carregamento sem fio de veículos usavam frequências de cerca de 20 kHz, muito parecidas com um fogão normal. Eles se tornaram volumosos e a transferência de energia não era muito eficiente. Agora trabalhamos com frequências quatro vezes maiores. Então, de repente, a indução se torna atraente," contextualizou Liu.

Detalhe das bobinas do protótipo construído pela equipe sueca.
[Imagem: Chalmers University of Technology]

Eletrônica de potência SiC

Sejam em balsas ou grandes caminhões, a questão se resume à potência: Tente recarregar essas baterias pelo método plugado e você logo verá que os cabos de energia precisam ser tão grossos que tudo deixa de ser prático. Na verdade, alguns experimentos pioneiros precisaram usar braços robóticos industriais para lidar com esses cabos.

É aí que entram as duas tecnologias, que estão permitindo dispensar toda essa trabalheira.

"Um fator chave é que agora temos acesso a semicondutores de alta potência baseados em carbeto de silício, os chamados componentes SiC. Como produtos eletrônicos de potência, eles estão no mercado há apenas alguns anos. Eles nos permitem usar tensões mais altas, temperatura mais alta e frequência de comutação muito maior, em comparação com os componentes clássicos baseados em silício," conta o pesquisador.

Enquanto os carregadores sem fios para carros tipicamente operam em frequências de cerca de 20 kHz, a eletrônica SiC está permitindo se aproximar dos 100 kHz. Isso é importante porque é a frequência do campo magnético que define o limite de quanta energia pode ser transferida entre duas bobinas de um determinado tamanho.

Nem tudo está pronto ainda, mas a equipe está trabalhando com duas empresas fabricantes desses semicondutores, para que os produtos comerciais cumpram todos os requisitos necessários.

Os fios litz são verdadeiras malhas tecidas com finíssimos fios de cobre.
[Imagem: New England Wire Technologies]

Fio litz

Outro salto tecnológico recente envolveu os fios de cobre das bobinas que enviam e recebem a energia - a bobina de transmissão cria um campo magnético oscilante que forma a ponte real para o fluxo de energia para a bobina de recepção.

Aqui também o objetivo é usar a frequência mais alta possível. "Então, não funciona com bobinas enroladas com fio de cobre comum, isso levaria a perdas muito grandes em alta frequência," detalhou Liu.

Por conta disso, os enrolamentos de cobre tradicionais estão sendo substituídos por "cordas de cobre" trançadas, formadas por até 10.000 finíssimos fios de cobre, cada um medindo entre 70 e 100 micrômetros de diâmetro, muito parecidos com fios de cabelo.

Essas tranças, conhecidas como fios litz, adaptadas para altas correntes e altas frequências, só chegaram ao mercado nos últimos poucos anos - o termo fio litz vem de litzendraht, termo em alemão que significa fio torcido ou trançado.

A equipe também está tirando proveito de capacitores de última geração, que são usados para adicionar potência reativa, que é um pré-requisito para que a bobina seja capaz de gerar um campo magnético suficientemente forte.

Montados os primeiros protótipos, o trabalho agora está se concentrando no aumento da eficiência do conjunto, mas a equipe acredita estar próximo de atingir os padrões comerciais.

O que é carregamento indutivo?

O recarregamento por indução significa que a corrente elétrica pode ser transferida a uma curta distância, seja através do ar, da água ou de outros materiais não metálicos, sem qualquer contato ou fiação.

O princípio é o mesmo usado nos fogões de indução encontrados em muitas cozinhas: Uma corrente alternada de alta frequência passa através de uma bobina e produz um campo magnético oscilante.

Só que, diferentemente do cozimento, onde o objetivo é gerar calor, a recarga indutiva pressupõe a existência de uma segunda bobina a bordo do veículo, que capta a energia do campo magnético e a converte novamente em eletricidade. Como o campo magnético é oscilante, o que sai são pulsos de corrente alternada, que então passa por processo chamado retificação, que a converte na corrente contínua que recarrega as baterias.

Mas também há uma geração indesejada de calor, que faz com que parte da energia a ser transferida seja perdida. Assim, minimizar o aquecimento tanto quanto possível é uma meta importante para o desenvolvimento da tecnologia de recarregamento indutivo.

Mais tópicos