Melhorando a eficiência energética em contatores e relés para aplicações móveis

Contatores e relés são interruptores eletromagnéticos essenciais para o gerenciamento do fluxo elétrico em aplicações móveis. Sua função principal é controlar altas correntes e tensões, garantindo a segurança e a eficiência operacional.

Para OEMs que desenvolvem componentes de veículos industriais, esses interruptores desempenham um papel crítico na operação do veículo, permitindo a conexão e a desconexão da bateria em condições normais e de falha.

Um desafio fundamental no uso de contatores e relés, no entanto, é o seu consumo de energia. As grandes bobinas necessárias para lidar com esses dispositivos de alta corrente podem consumir energia continuamente, descarregando a bateria e reduzindo a autonomia do veículo. Lidar com isso é essencial para melhorar o desempenho.

Inovações em Eficiência Energética

Felizmente, a indústria desenvolveu tecnologias avançadas de economizadores que reduzem significativamente o consumo de energia de contatores e relés, mantendo a confiabilidade. Algumas inovações importantes se destacam.

Uma varredora elétrica de rua que utiliza o relé Durakool DG86M. (Foto: Durakool)

Uma delas é a tecnologia de modulação por largura de pulso (PWM). Ao modular a largura do pulso elétrico, a PWM reduz o consumo de energia da bobina em aproximadamente 50%. Isso permite que o contator permaneça acionado, consumindo menos energia, prolongando a vida útil da bateria e melhorando a eficiência do veículo.

Há também o economizador de bobina dupla, que utiliza uma bobina de alta potência para ativação inicial e uma bobina de baixa potência para manter a operação. Reduzir o consumo de energia durante o uso prolongado dessa forma aumenta a eficiência energética. Projetos de bobina dupla também oferecem menor custo e menos pontos de falha devido ao menor número de componentes usados na placa de circuito impresso (PCB).

Dos dois, o PWM oferece melhor eficiência do que o projeto de bobina dupla e proporciona um controle mais preciso sobre o consumo de energia, mesmo utilizando um circuito eletrônico mais complexo. No entanto, a pulsação pode gerar interferência eletromagnética (EMI), o que exigiria blindagem adicional para evitar afetar circuitos eletrônicos externos. O economizador de bobina dupla, por outro lado, não gera EMI, o que o torna mais confiável.

Uma terceira abordagem para economizar a bobina envolve reduzir a tensão assim que os contatos são acionados. Embora eficaz, esse método requer um circuito externo. Além disso, existe o risco de subenergizar a bobina, o que pode levar a problemas de confiabilidade.

Em qualquer caso, ao selecionar a tecnologia apropriada para a aplicação, os OEMs devem ponderar cuidadosamente essas compensações.

Tecnologia de bobina sensível

Outro avanço na área é a tecnologia de bobinas sensíveis. Essa abordagem reduz o consumo de energia ao incorporar bobinas de alta resistência que requerem significativamente menos corrente para operar. Isso a torna particularmente adequada para aplicações em veículos elétricos (VE), onde ajuda a reduzir os custos operacionais, prolongar a vida útil da bateria e reduzir o impacto ambiental geral, minimizando a energia necessária para as funções de comutação. No entanto, a desvantagem é que o projeto pode resultar em uma pressão de contato ligeiramente menor, o que reduzirá a capacidade de condução de corrente.

Independentemente da tecnologia escolhida pelos OEMs, eles devem tomar cuidado para garantir um tempo mínimo para envolver totalmente os contatos, normalmente de 100 a 200 ms.

Avanços em materiais de contato

Outro fator crucial para melhorar a eficiência é a seleção do material correto para os rebites de contato. A resistência elétrica desses materiais afeta diretamente o consumo de energia, a geração de calor e a durabilidade dos componentes.

O contator Durakool DLVC300 é usado em alguns caminhões de reboque de aeroportos. (Foto: Durakool)

Há uma variedade de materiais avançados que podem otimizar o desempenho em diferentes aplicações. O níquel-prata (AgNi), por exemplo, oferece baixa resistência e minimiza a perda de energia em relés que permanecem fechados e conduzem alta corrente por longos períodos. Em comparação, o óxido de prata e estanho (AgSnO2) oferece alta resistência à soldagem durante a comutação sob carga, reduzindo o acúmulo de calor e o desperdício de energia.

Outra variante da prata é o óxido de índio e estanho-prata (AgSnOInO), um material especializado também projetado para resistir à soldagem, tornando-o ideal para aplicações de comutação frequente em motores elétricos. O AgSnOInO aumenta a confiabilidade do sistema a longo prazo em aplicações móveis, reduzindo significativamente a degradação dos contatos.

Duas opções de cobre incluem cobre livre de oxigênio (Cu. C10200) e liga de cobre com prata (T2+Ag). O Cu. C10200 oferece menor resistência de contato e desempenho superior ao conduzir altas correntes por longos períodos. O T2+Ag é um material mais duro que se destaca na comutação sob condições de carga, oferecendo diferentes características de desempenho para aplicações específicas.

Desafios da Adoção

Antes que os OEMs possam adotar e integrar essas melhorias em seus projetos, eles devem enfrentar alguns desafios importantes.

Um obstáculo é o gerenciamento térmico. Como aplicações de alta corrente geram calor significativo, é necessário haver soluções de resfriamento eficazes para manter o desempenho e evitar falhas prematuras.

Além disso, o rápido crescimento da produção de veículos elétricos (VEs) gerou restrições na cadeia de suprimentos. Isso pode prejudicar a disponibilidade de componentes pelos fabricantes, potencialmente criando gargalos nos cronogramas de produção.

Por fim, há a complexidade da integração devido à falta de projetos de relés padronizados, o que pode levar a problemas de compatibilidade. Por exemplo, diferentes fabricantes podem ter variações nas configurações de pinos, arranjos de montagem ou atribuições de terminais. Os OEMs devem considerar essa complexidade durante a fase de projeto para garantir uma integração tranquila.

Aplicações do mundo real

Carlos Mendes é gerente de produto de switching na Durakool, (Foto: Durakool)

O impacto dessas tecnologias aprimoradas de eficiência energética é mais evidente nos componentes de veículos de última geração que exigem eficiência, durabilidade e confiabilidade. Por exemplo, essas tecnologias já foram implementadas com sucesso em ônibus elétricos, veículos postais, tratores de reboque e equipamentos de construção, como retroescavadeiras e manipuladores telescópicos.

À medida que a indústria avança, podemos esperar outras inovações. Estas incluem uma maior miniaturização de componentes sem sacrificar as capacidades de alta corrente, soluções aprimoradas de gerenciamento térmico para aumentar a confiabilidade em ambientes exigentes e maior padronização para simplificar os desafios de integração. Além disso, materiais mais sustentáveis reduzirão o impacto ambiental e permitirão a reciclagem dos componentes.

O setor superará os desafios de eficiência energética por meio de inovação contínua e engenharia estratégica, ao mesmo tempo em que avança em direção a um futuro mais sustentável e eletrificado.