As tecnologias de veículos elétricos (EV) continuam a avançar em diversas indústrias, desde cortadores de grama tradicionais até motocicletas e aplicações automotivas, sendo uma alternativa aceita aos motores a gasolina. Nos últimos anos, os EVs começaram a entrar em mercados dominados por motores a diesel. Tratores e outros equipamentos agrícolas agora estão disponíveis em versões EV. Independentemente da aplicação, os designs de powertrain de EVs exigem conectores de alta potência com um tamanho reduzido para atender às necessidades de sistemas maiores e mais potentes. As soluções de conectores devem lidar com as exigências rigorosas das aplicações de veículos agrícolas, incluindo resistência ao calor, choque, vibração, poeira/sujeira e líquidos. Avanços em conectores robustos de fio para placa e de placa para placa podem ajudar a aumentar o desempenho das baterias elétricas, reduzindo ao mesmo tempo os custos de design e montagem.
Contexto
Veículos elétricos (EVs) e veículos híbridos elétricos (HEVs) oferecem uma alternativa mais eficiente em comparação aos veículos com motores de combustão tradicionais. Os HEVs consomem menos gasolina, enquanto os EVs eliminam totalmente o uso de gasolina. Esses veículos são mais silenciosos, limpos durante a operação e mais baratos de reabastecer em comparação aos motores de combustão interna. As baterias dos EVs convertem de 59% a 62% da energia em movimento, enquanto veículos movidos a gasolina alcançam apenas de 17% a 21%. Os motoristas de EVs gastam aproximadamente $1,20 por galão equivalente para carregar o veículo, e o custo médio anual de operação para um EV é de $485, comparado a $1.117 para um veículo convencional.
Os EVs e HEVs têm menos partes móveis, resultando em menor desgaste, custos de manutenção reduzidos e vida útil prolongada.
Políticas governamentais, como subsídios, concessões e abatimentos fiscais, junto com melhorias na infraestrutura de recarga e forte apoio dos fabricantes automotivos (OEMs), estão acelerando as vendas globais de HEVs e EVs. Além disso, avanços na autonomia tornam esses veículos uma escolha mais prática e ambientalmente amigável para os consumidores.
A maioria da agricultura global é composta por pequenas fazendas de subsistência, de propriedade de famílias e pequenos agricultores. Para reduzir os custos a longo prazo, esses agricultores estão adotando equipamentos agrícolas elétricos, como cortadores de grama e tratores, para aplicações de baixa potência. Motores elétricos oferecem o dobro do torque de motores tradicionais, permitindo puxar cargas mais pesadas. Por exemplo, um trator elétrico de 60 HP pode realizar as mesmas tarefas que um trator a diesel de 120 HP. Consequentemente, os veículos agrícolas elétricos reduzem os custos operacionais, tornando a agricultura mais econômica e aumentando a produtividade.
Com o custo de combustível imprevisível e incentivos governamentais que promovem o uso de tecnologias limpas, espera-se que as vendas de veículos agrícolas e de equipamentos elétricos aumentem nos próximos anos.
De acordo com a Markets and Markets, o mercado global de EVs foi avaliado em USD 132,6 bilhões em 2023 e espera-se que alcance USD 508,8 bilhões até 2033. O aumento da conscientização ambiental e a mudança em direção ao transporte sustentável são fatores-chave que impulsionam o interesse dos consumidores por EVs. Melhorias na vida útil das baterias, na velocidade de carregamento e na autonomia de condução estão aumentando ainda mais a adoção pelos consumidores e a expansão do mercado.
Noções Básicas sobre o Powertrain de EVs
O powertrain de um EV é um sistema mais simples e eficiente em comparação com os motores de combustão interna. EVs podem operar exclusivamente com propulsão elétrica ou contar com um motor de combustão interna em conjunto. Powertrains que utilizam outros modos de energia além da bateria são frequentemente chamados de veículos híbridos elétricos (HEVs). Um sistema de EV possui até 60% menos peças e menos partes móveis do que um powertrain tradicional a gasolina. No núcleo, um sistema padrão de EV contém um carregador, pacote de baterias, conversor, controlador e motor.
- Carregador: converte a energia AC recebida pela porta de carga em DC e controla a quantidade de corrente que flui para o pacote de baterias.
- Pacote de Baterias: composto por várias células de íons de lítio e armazena a energia necessária para operar o veículo, fornecendo saída de corrente contínua (DC).
- Conversor DC-AC: transfere a energia DC do pacote de baterias para AC, alimentando o motor elétrico.
- Controlador do Veículo Elétrico: é o conjunto eletrônico que opera entre as baterias e o motor para controlar a velocidade e a aceleração do veículo elétrico, semelhante ao que o carburador faz em um veículo a gasolina. Isso inclui a ECU (unidade de controle eletrônico) do powertrain, que gerencia o fluxo de energia da bateria para o motor elétrico.
- Motor Elétrico: converte a energia elétrica em energia mecânica para mover o veículo por meio de uma transmissão de velocidade única simples, reduzindo a velocidade das rodas e multiplicando o torque.
Requisitos de Conectores para o Powertrain de EVs
Em todas as aplicações automotivas, os conectores devem oferecer desempenho de alta confiabilidade em termos de resistência ao calor, choque, vibração e outras condições ambientais. Além disso, sistemas de powertrain exigem soluções de interconexão robustas e confiáveis que possam lidar com correntes mais altas. Por exemplo, um motor de EV pode operar entre 96 e 800 Volts DC. HEVs normalmente possuem tensões nominais de pacotes variando de 96V a 200V, enquanto EVs devem suportar de 400V a 800V ou mais. Um motor de corrente alternada trifásico provavelmente opera a 240 V com um pacote de baterias de 300 V.
O lado negativo das tensões mais altas inclui a necessidade de conectores com classificação de tensão mais elevada.
Conectores de Alimentação para EVs
À medida que a tecnologia de EVs continua a evoluir, os conectores de alta potência precisam combinar recursos de segurança robustos com funcionalidades avançadas em um tamanho de pacote menor. Conectores de potência com classificação IP69K de 2 posições de potência e 2 posições de sinal agora apresentam designs compactos e de baixo perfil que oferecem economias de espaço significativas de até 40% em comparação com as tecnologias anteriormente usadas. Em vez de um sistema tradicional de bloqueio com quatro parafusos, conectores de alta potência para EVs utilizam um bloqueio robusto de dois pontos, resultando na redução do tamanho e da altura, ao mesmo tempo em que excedem os rigorosos padrões de confiabilidade automotiva e para veículos fora de estrada. O bloqueio de dois pontos também garante resistência a choques e vibrações.
Conectores de alta tensão, como a Série HVH-280, oferecem 30A e 600V AC/DC e uma ampla faixa de temperatura operacional de -40°C a 120°C. Com classificação IP69K, esses conectores são à prova d’água e de poeira/sujeira, garantindo operação confiável a longo prazo.
A classificação IP69K é atualmente a mais alta disponível na indústria — produtos classificados como IP69K são protegidos contra a entrada de sujeira, líquidos de alta temperatura e alta pressão (água e produtos químicos). Isso é uma exigência para veículos agrícolas que precisam ser lavados periodicamente.
Recursos adicionais de segurança incluem proteção contra contato acidental IPXXB conforme JIS C 9020 e um design com intertravamento que proíbe a troca a quente (hot-swapping). As capacidades de garantia de posição do terminal (TPA) e de garantia de posição do conector (CPA) asseguram que o conector esteja travado no lugar por meio de um travamento secundário, muitas vezes com um mecanismo de clique tátil claro.
Oferecendo uma solução de alta tensão fio para placa, a Série Hirose ZG05HV possui um design de carcaça compacto que proporciona distâncias suficientes de escoamento e isolamento, permitindo uma classificação de alta tensão (1.000V) e tensão suportada (3.000V). O conector com tamanho de aba de 0,5 mm combina economia de espaço e alto desempenho sem comprometer a confiabilidade. Seu design de contato de três pontos (uma mola e dois pontos de contato em relevo) e a mola de camada dupla aumentam a força de contato e a resistência a vibrações, garantindo conexões confiáveis em condições adversas.
Além disso, a profundidade dos contatos dentro da carcaça elimina o risco de choque elétrico durante a montagem. Ao oferecer uma combinação de manuseio de alta tensão, resistência térmica, recursos de segurança e design compacto, o conector da Série Hirose ZG05HV atende a uma ampla gama de aplicações automotivas, incluindo conectividade para baterias, conversores, ECU, inversores e carregadores a bordo.
Conversor de Bateria EV
Para aplicações de EV que exigem maior proteção contra entrada de elementos, conectores fio para fio com classificação IP69K são indispensáveis. A Série ZE064W, com seu passo de 2,2 mm, mantém alta condutividade elétrica em ambientes adversos e é projetada para desempenho de longo prazo sob exposição a fluidos, altas temperaturas, choque e vibração.
Uma mola de camada dupla com design de contato de três pontos garante conectividade confiável em condições de alta vibração e choque. Um retentor de contato evita o acoplamento incompleto e fornece uma força de tração de 50N, enquanto as chaves de acoplamento evitam desalinhamentos ao usar vários conectores.
O conector da Série ZE064W oferece resistência ao calor de até 125°C e resistência de contato estável por até 3.000 ciclos, atendendo aos requisitos de resistência térmica para compartimentos de motor. Classificados para 5A @ 250 VAC, esses conectores são ideais para aplicações automotivas, como conversores, inversores, baterias, carregadores a bordo, ECUs, entre outros.
Conectores para ECU de Powertrain
Conectores tradicionais fio para placa têm contatos macho salientes no lado da placa que podem causar curto-circuito devido à adesão de poeira entre contatos adjacentes. Esses conectores convencionais também apresentam risco de choque elétrico quando um trabalhador toca um contato durante a inserção ou remoção. Com contatos fêmea em forma de caixa no lado da placa, o conector fio para placa da Série ZH05 foi projetado para oferecer alto desempenho e prevenir choques elétricos. Ao cercar fisicamente os contatos com resina para isolamento, o design inovador da Série ZH05 elimina curtos-circuitos, mesmo que poeira entre no contato. Além disso, o design impede que os trabalhadores toquem nos contatos, eliminando o risco de choque elétrico.
O design exclusivo é compatível com encapsulamento em resina (potting), tornando a Série ZH05 segura para uso em ambientes onde há formação fácil de condensação. Os contatos fêmea têm um design de mola em camada dupla que proporciona maior força de contato e confiabilidade em comparação com contatos de mola única. As molas em camada dupla também oferecem melhor supressão de vibrações. Além disso, três pontos de contato são fornecidos para cada linha na parte superior e inferior, mantendo um contato estável mesmo sob vibrações contínuas.
A Série ZH05 é amplamente utilizada em componentes eletrônicos automotivos, como baterias, carregadores e unidades de controle eletrônico (ECUs).
Conectores para Painéis de Controle de EV
Conectores versáteis fio para placa e fio para fio com classificação IP67 combinam um tamanho compacto com capacidade de corrente elevada de até 5A, onde versões anteriores suportavam apenas 3A, o que é essencial para conexão em série de células de energia e aumento da autonomia de veículos HEV/EV. Esses conectores inovadores possuem um passo de apenas 2,0 mm e um perfil baixo de apenas 8,24 mm, atendendo às restrições de tamanho e peso.
Além disso, conectores fio para fio e fio para placa, como a Série ZE05 da Hirose, requerem 30% menos área de montagem na PCB em comparação com tecnologias anteriores e eliminam a necessidade de aterramento de um lado da PCB. Eles oferecem alta contagem de pinos de 12 ou 24 em um design de linha dupla, proporcionando maior densidade e maior sustentabilidade de temperatura, o que garante um carregamento mais seguro e rápido das baterias de HEV/EV. Isso é particularmente importante ao operar em correntes mais altas, uma vez que a curva de desclassificação se intensifica. Uma temperatura nominal mais elevada, combinada com uma capacidade de transporte de corrente maior, assegura um carregamento mais seguro e rápido das baterias de HEV/EV.
Muitos novos designs de conectores apresentam recursos de garantia de posição do terminal (TPA) e garantia de posição do conector (CPA). Esses elementos de design garantem que o conector esteja travado no lugar por meio de um bloqueio secundário, geralmente com um mecanismo de clique tátil claro.
Os terminais desses conectores são polarizados, o que significa que sua forma intrínseca evita o acoplamento incorreto. Este recurso de segurança aumenta ainda mais a confiabilidade. A classificação IP67 protege contra calor, choque, vibração, água, óleo, poeira e sujeira.
Conectores Flexíveis
Anteriormente, conectores fio para placa eram a escolha principal para aplicações de drivetrain em HEVs e EVs, como controladores de motor e inversores. No entanto, esses conectores costumam ocupar mais espaço e complicam o processo de integração e montagem. Novos conectores placa para placa com um sistema de contato flutuante oferecem agora uma solução melhor, simplificando a montagem, reduzindo os custos de mão-de-obra e economizando espaço.
Esses versáteis conectores placa para placa suportam classificações de alta voltagem de até 125V AC/DC em um design compacto com um passo de 1mm. Com resistência a altas temperaturas de até 140°C, o design de contato flutuante oferece resistência superior a vibrações para operação confiável.
Os contatos flutuantes podem compensar erros de alinhamento de até ±0,7mm nas direções X e Y, bem como uma tolerância de ±0,75mm na direção Z. Esse recurso ajuda a prevenir desalinhamentos durante a instalação e montagem. Como a parte da mola do terminal absorve erros de montagem, minimiza-se a necessidade de operações corretivas de retrabalho. O sistema de contato flutuante é ideal para sistemas de drivetrain de HEVs e EVs que requerem múltiplos conectores na mesma placa.
Além disso, o sistema de contato flutuante, como o encontrado no conector placa para placa da Série FX26 da Hirose, aumenta a confiabilidade ao reduzir o estresse nas juntas de solda causado por conectores desalinhados. O design flutuante também melhora a durabilidade ao prevenir rachaduras na solda.
Conclusão
Veículos híbridos e elétricos continuarão a ganhar espaço à medida que a tecnologia avança para atender a requisitos específicos de aplicação. Com melhorias na autonomia, potência, emissões, manutenção e custos a longo prazo, HEVs e EVs vieram para ficar. Para apoiar a crescente demanda, fabricantes de conectores estão desenvolvendo soluções de interconexão inovadoras para powertrains de EVs. Esses conectores proporcionam operação confiável e durável, com funcionalidades e recursos aprimorados — tudo em pacotes compactos e leves. As soluções de conectores para HEVs e EVs simplificam o design, facilitam a montagem e aumentam o desempenho geral dos produtos.
*Este post foi patrocinado pela Hirose Electric
