Os vários níveis de hibridação. Quais são?

A tecnologia “mild hybrid” de 48 Volt permite uma redução significativa dos consumos e emissões da maioria dos automóveis, de um modo simples e a baixo custo. Esta tecnologia será decisiva na popularização massiva dos híbridos, pelas vantagens que acarreta, pela sua simplicidade de funcionamento, e porque pode ser instalada em automóveis e em estruturas de produção e montagem já existentes, o que permitirá comercializar modelos híbridos a preços muito competitivos.


Aproximadamente 70% das emissões globais de CO2 devem-se à queima de combustíveis fósseis, e o sector dos transportes representa quase um quarto desse valor. Para alcançar os ambiciosos objetivos climáticos de Paris, serão necessárias, no futuro, novas tecnologias na propulsão dos veículos. A tecnologia elétrica continua a evoluir e, no ano 2030, praticamente 30% dos automóveis de turismo produzidos funcionarão com uma propulsão totalmente elétrica. Outros 30% do mercado mundial ainda serão constituídos por veículos locomovidos unicamente por um motor de combustão. E os 40% restantes terão propulsão híbrida.

A hibridização de 48 Volt permite eletrificar plataformas convencionais, proporcionando até 20 kW de potência elétrica sem obrigar a efetuar grandes alterações para adaptar toda a arquitetura. Por comparação com os sistemas híbridos de alta voltagem, a de 48 Volt oferece uma sensacional relação custo-benefício. E a sua implementação técnica é simples, graças à conceção modular, que facilita a respetiva introdução. Existem seis níveis de hibridização de 48 Volt, que cobrem diferentes necessidades e prestações e sobre as quais lhe falaremos de seguida.

As vantagens da hibridização de 48 Volt

A utilização da hibridização “mild hybrid” permite uma redução média dos consumos e emissões de CO2 de 15% (segundo o novo ciclo WLTP – Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures, em inglês, ou Procedimentos Mundialmente Harmonizados para Testes de Veículos Ligeiros, em português), graças à recuperação de energia nas fases de desaceleração e travagem. Essa energia é utilizada em tantas situações de condução quanto seja possível, assim como para aumentar a potência, para conduzir de forma puramente elétrica ou para manter a velocidade de cruzeiro. Isto significa que o motor de combustão interna se desligará e ligará entre 600 000 e 900 000 vezes durante a sua vida útil, dependendo da estratégia de condução adotada.
A hibridização de 48V também permite satisfazer as cada dia maiores exigências de energia elétrica, por exemplo, para novas funcionalidades do automóvel ou para a condução autónoma.
A eficiência e as prestações de um motor de combustão também são incrementadas com este sistema. Por exemplo, proporcionando uma disponibilização extra de binário a baixas rotações, em combinação com o controlo da distribuição. Para mais, com a legislação RDE (Real Driving Emissions), reduzir a carga do acelerador nas fases de aceleração, e utilizar catalisadores elétricos, pode levar a uma melhoria significativa das emissões.
Relativamente à hibridização de alta voltagem, a tecnologia de 48 Volt oferece uma implementação mais simples e um custo inferior, e não só dos seus próprios componentes. Por exemplo, pode prescindir-se de todos os elementos de isolamento elétrico necessários nos híbridos de alta tensão. O que é extensível a todos os sistemas elétricos de alto rendimento que equipam um automóvel.

Os níveis de hibridização de 48V

Nível 0
No sistema de nível 0, o motor elétrico está unido à cambota do motor de combustão através de uma correia. Com este alternador torna-se possível recuperar uma grande parte da energia cinética que se perde na travagem. Uma pequena e económica bateria de iões de lítio serve para armazenar energia. A energia recuperada pode ser utilizada para voltar a arrancar o motor no funcionamento do sistema “start-stop”, para manter a velocidade de cruzeiro ou para proporcionar uma aceleração adicional. Vantagem desta arquitetura reside no facto de o ar condicionado continuar a funcionar com o motor de combustão desligado.
As simulações de consumo e emissões no ciclo WLTC mostram que um híbrido de nível 0 alcança uma poupança de 3,8% em consumos e emissões (relativamente a um microhíbrido de 12 Volt, com alternador inteligente e função start&stop) com um motor elétrico de polos assíncronos ou de polos alternados; e de 6,6 % com um motor elétrico síncrono de ímanes permanentes (PSM).
Devido ao seu reduzido custo de integração, esta tecnologia será utilizada de forma massiva nos próximos anos, especialmente na Europa, e contribuirá de forma decisiva para o cumprimento dos objetivos de emissões médias de CO2 das marcas. Em 2030, estima-se uma produção anual de aproximadamente 20 milhões de unidades de sistemas de nível 0.

Nível 1

A colocação do motor elétrico de 48 Volt também está na cambota, mas sem correia de acoplamento. Nesta disposição é sempre utilizado um motor síncrono de ímanes permanentes (PSM), mais compacto, e caraterizado pela sua elevada eficiência e entrega de binário. O híbrido de nível 1 alcança uma redução de consumos e emissões de CO2 de 8,5% no ciclo WLTC. E esta percentagem é bastante melhorável caso sejam otimizados ao máximo os motores de combustão, com elementos como, por exemplo, o sistema de distribuição totalmente variável UniAir e um aumento da taxa de compressão.

Nível 2

Neste nível, o motor elétrico é instalado entre o motor de combustão e a caixa de velocidades. Para propulsões frontais transversais, em que há pouco espaço disponível, foi desenvolvida uma variante paralela ao eixo, que atua sobre o veio de entrada da caixa de velocidades através de uma correia ou corrente. O sistema permite, igualmente, recuperar a energia de travagem e conduzir de forma elétrica a velocidades reduzidas, como em engarrafamentos, a estacionar ou em manobras.
Os módulos de nível 2 permitem, ainda, hibridizar de forma rentável modelos com caixa de velocidades, abrindo caminho a esta tecnologia aos segmentos mais populares do mercado.
O módulo híbrido com motor síncrono de ímanes permanentes disponibiliza uma potência contínua de 10 kW, com picos máximos de 15 kW durante 20 segundos. A embraiagem de desconexão possui uma capacidade de binário de 250 Nm. É requerido um espaço axial adicional de 80 mm para integrar estes elementos, algo fácil de conseguir numa disposição de motor transversal de três cilindros com tração dianteira. O módulo híbrido completo de nível 2 acarreta um incremento de peso de 31 kg.

Nível 3

O motor elétrico é colocado na saída de transmissão, configuração válida tanto para motores e transmissões em linha, como transversais; e permite a integração de uma embraiagem multidiscos, se necessário, para uma variante de tração total. O rendimento máximo do motor elétrico refrigerado por água é de até 20 kW em modo de gerador, e entrega até 234 Nm de binário máximo em modo de tração, que se transmite numa relação de 3,9 através de uma engrenagem de planetário de estágio único. A velocidade máxima do motor elétrico é alcançada a uma velocidade do veículo de, aproximadamente, 140 km/h. Para um veículo com tração dianteira, o módulo pesa 22 kg.
Graças a este sistema, adicionado a um gerador de arranque de 12 V, as emissões de CO2 caem 15,3% por comparação com o veículo base com motor de combustão. O módulo híbrido também pode ser utilizado num veículo de tração total com a adição de uma embraiagem multidiscos, que transmite até 800 Nm.

Nível 4

No nível 4, a transmissão do eixo traseiro é substituída por um sistema de transmissão elétrica, que complementa o motor de combustão, que atua sobre o eixo dianteiro. Assim se obtém a tração total, bem como a desconexão total do motor e transmissão convencionais do motor elétrico. Uma transmissão de duas velocidades permite que o motor elétrico se ajuste à sua configuração ideal numa multiplicidade de situações de condução. A segunda velocidade é acionada a partir dos 70 km/h e está destinada à condução interurbana e em autoestrada, focando-se exclusivamente nas funções de reforço e recuperação.
O eixo está concebido de tal modo que torna possível a condução puramente elétrica em ambiente urbano. A tecnologia de motor elétrico que deve ser utilizada para complementar este sistema é uma decisão em aberto e depende da potência máxima, da densidade de potência, do espaço disponível e da segurança funcional. O peso total do eixo elétrico é de, aproximadamente, 40 kg.
Um sistema de tração total convencional, num modelo típico do segmento C, incrementa o consumo, em média, em 11 %. Utilizando este sistema, um híbrido de nível 4 de tração total reduz o consumo e as emissões em 15,5% relativamente a um tração dianteira; e em 24% relativamente a esse mesmo modelo com tração total convencional.

Nível 5

Este nível também oferece tração total, mas de um modo diferente: o propulsor e a transmissão estão alojados no cubo de cada roda de um eixo. Na tecnologia de 48 Volt, este nível apenas é válido para veículos ligeiros de apenas um passageiro.