1) Os conceitos de compartimentos de bateria dominam a agenda do IABC
2) Planeje baterias de EV maiores e materiais mais baratos
3) Os materiais compostos vieram para ficar
4) Paridade de preços até 2024: BEVs e ICEs
5) Laminação em 3D e impressão em 3D para perfis inovadores

Body-In-White (BIW) para o Chevy Corvette 2020

Os conceitos de compartimentos de bateria dominam a agenda do IABC 

O tópico mais importante do Congresso IABC 2019 nos EUA foi, sem dúvida, os compartimentos de baterias para BEVs. Para atender à necessidade de uma maior variedade de BEVs, as células da bateria estão ficando mais pesadas (Wh/kg) e muito mais densas em termos de energia (Wh/litro). Por várias razões, agora faz sentido para as montadoras adicionar mais células/módulos de bateria aos seus BEVs.

No entanto, quanto maiores e mais pesadas forem ficando as baterias, mais criativa a engenharia das estruturas das carroceria (Body-In-White – BIW) terá de se tornar para proteger, com segurança, as células contra qualquer intrusão durante uma colisão. O teste de impacto lateral em poste (pole test) é particularmente desafiador para as baterias de BEVs.

Felizmente para os engenheiros, os compartimentos das baterias também são multifuncionais: quando combinados com o restante da estrutura do piso do BIW, eles conferem resistência e rigidez de torção, aumentando-as em mais de 30% em comparação com os ICEs (fonte: Caresoft Global Inc.).

Inúmeros conceitos de compartimentos de bateria foram apresentados, incluindo o Docol EV Design Concept com suas vigas laminadas em 3D que proporcionam economias de altura.

Planeje baterias de EV maiores e materiais mais baratos

A partir de 2020, o uso de alumínio para conferir leveza ficará mais caro do que adicionar mais módulos de bateria, de acordo com a Don Malen, a Universidade de Michigan e a Bloomberg New Energy Finance. E os consumidores definitivamente querem baterias maiores para dirigirem mais e reduzirem a “ansiedade de ficar na mão”.

Baterias maiores exigirão que os BIWs usem aços de ultra-alta resistência (UHSS) para absorver o aumento de energia da maior massa do veículo.

Os compartimentos de bateria feitos de alumínio já estão em desvantagem de custo em comparação aos compartimentos fabricados com aços AHSS e UHSS. A Improvalue mostra uma vantagem atual de US$ 88 a US$ 110 por veículo em favor de um compartimento de bateria de AHSS/UHSS em comparação a um compartimento feito de alumínio. (Premissas: fábrica ideal, 200.000 veículos/ano; 5 anos de produção; e levando em consideração os custos de material, processos de conformação, montagem e pintura por eletrodeposição.)

Os apresentadores do evento IABC observaram que essa diferença de preço provavelmente se tornará maior no futuro, conforme os compartimentos de bateria de EV aumentam de tamanho e os engenheiros ficam mais inovadores com as soluções em AHSS/UHSS. A recomendação deles: não transfira simplesmente o design do compartimento de alumínio para o de aço. Em vez disso, aproveite as vantagens específicas dos aços AHSS para novos designs que utilizam seus processos de fabricação existentes –– e considere alguns processos novos de conformação de aço, tais como a laminação em 3D.

E mesmo com baterias de EV maiores, mais potentes e mais pesadas, um baixo peso ainda será um fator crítico. Por um lado, as montadoras desejam compensar parcialmente o peso extra das baterias maiores. E o baixo peso obtido com os aços AHSS/UHSS faz muito mais sentido em termos econômicos (e ambientais) do que o alumínio e a fibra de carbono, que produzem gases de efeito estufa em grandes quantidades. Esperamos que, daqui a alguns anos, comecemos a ver baterias de estado sólido com maior densidade (energética): elas serão mais leves que as baterias de íon-lítio, mas provavelmente também serão mais caras – por isso, é uma boa ideia que os engenheiros fiquem com os econômicos aços AHSS/UHSS em um futuro próximo.

Os materiais compostos vieram para ficar

'Alguns modelos de carros de luxo (como o Tesla X, S e 3, o BMW i3 e o Jaguar I-Pace) atualmente usam grandes quantidades de alumínio nas estruturas de suas carrocerias, enquanto modelos mais econômicos (Renault Zoe, Nissan Leaf, Chevy Bolt) adotam uma abordagem de materiais compostos e com maior proporção de aço.

Enquanto alguns carros de luxo podem continuar a usar grandes quantidades de alumínio em suas BIWs, o futuro parece ser o oposto: a mistura de materiais nos carros parece estar aumentando, com materiais específicos resolvendo desafios específicos de otimização.

Por exemplo, a lista de materiais para o totalmente novo BIW do Ford Explorer 2020 é instrutiva:
Aço comum 24,2%
HSS 21,4%
AHSS 13,1%
UHSS 9,2%
PHS 25,2%
Alumínio - Estampado 0,1%
Alumínio - Extrudado 3,7%
Alumínio - Fundido 2,1%
Magnésio - Fundido 0,5%

A Ford apresentou sua abordagem da topologia de otimização do BIW, incluindo sua análise de topologia da “interpretação da estrutura óssea” para trajetória de carga principal, trajetória de carga superior, vigas de tensão e vigas de compressão. Por exemplo, a lista de materiais da novíssima plataforma da BIW do Ford Explorer 2020 é instrutiva:Aço convencional 24,2%Aço de alta resistência 21,4%Aço avançado de alta resistência 13,1%Aço de ultra-alta resistência 9,2%Aço endurecido por prensa 25,2%Alumínio – estampado 0,1%Alumínio – Extrudado 3,7%Alumínio –fundido 2,1%Magnésio – fundido 0,5%A Ford apresentou sua abordagem de otimização da topologia de sua BIW, incluindo sua análise de topologia da “interpretação da estrutura óssea” para a trajetória da carga principal, trajetória da carga superior, vigas de tensão e vigas de compressão. A estrutura de backup “biônica” do Ford Escape/Kuga 2020 resulta na transformação das cargas de impacto em tensão e compressão –– com dobra mínima.

Para o Escape/Kuga 2020, seus principais componentes –– incluindo a estrutura frontal, pilares, trilho de teto e estrutura traseira inferior –– foram projetados individualmente para cada principal mercado regional. Apesar desses componentes terem sido especialmente adaptados para atender aos requisitos regionais de desempenho, todos, como um grupo, alcançaram uma ótima eficiência de massa.

O Escape/Kuga 2020 é um veículo mais leve que seus antecessores. Seu design:

• É 90 kg mais leve e com um BIW 5 kg mais leve, algo possível graças às aplicações de aço AHSS e UHSS.
• Oferece uma melhor solução aos ocupantes com maior capacidade de carga, por meio de um design eficiente de seção e junta.
• Possui dobra HEV estática 12% melhor e desempenho de torção 10% melhor que o modelo anterior.
• Manteve o seu preço acessível usando os aços AHSS e UHSS de baixa espessura no BIW.

Paridade de preços até 2024: BEVs & ICEs

Até 2024 –– e sem créditos tributários do governo –– os BEVs atingirão a paridade de preços com os ICEs em todos os tipos e classes de modelos, devido aos custos cada vez menores das baterias de íons de lítio. A grande mudança que os potenciais compradores de VEs estão esperando praticamente já chegou: VEs mais baratos, com maior alcance e tarifas sustentáveis de eletricidade

• A paridade entre ICEs e BEVs já aconteceu em alguns carros de nível médio (por exemplo, o Tesla Modelo 3 de 2019, de US$ 36.600 a US$ 61.100 em comparação com o BMW 330i xDrive 2019 de US$ 41.245 a US$ 61.945).
• Os preços das baterias serão de US$ 94/kWh até 2024 e US$ 62/kWh até 2030 (Bloomberg NEF).
• A Europa está exigindo carros com o equivalente a 92 mpg até 2030.
• Em muitos lugares, a eletricidade proveniente da energia solar custa agora o mesmo ou menos que a eletricidade gerada a partir do gás natural.
• Grandes investimentos futuros em eletrificação de infraestruturas (por exemplo, estações de carregamento, carregamento integrado nas estradas e estacionamentos, etc.). Os EUA estão correndo atrás: têm 60.000 estações de carregamento de veículos elétricos, enquanto a China (onde os veículos elétricos são exigidos por lei) tem 900.000.

De um ponto de vista diferente, em 2022, o preço das baterias cairá para cerca de US$ 100/kWh, o que popularizará os BEVs mais acessíveis e com um alcance de 380 milhas (610 km) ou mais.

Laminação em 3D e impressão em 3D para perfis inovadores

O Ford Explorer 2020 demonstra a tecnologia de conformação por varredura em 3D da Shape Corporation, que realiza uma varredura em vários planos e direções –– inteiramente alinhado com o processo de laminação. Os avanços são determinados pelo avanço mínimo do soldador por indução da linha. Em um único processo de laminação em 3D, o aço martensítico é conformado sob medida em tubos seccionais estruturais com dobras tridimensionais e um perfil fechado otimizado para o Explorer 2020.

A tecnologia Shape 3D Sweep pode fazer varreduras com um raio tão apertado quanto 400mm e requer apenas uma zona de transição mínima de 100mm para que o dobrador mude o raio da varredura. A dobra é desacoplada da linha de laminação em 3D para maximizar a eficiência da laminação e potencializar a flexibilidade da dobra.

A SSAB também destacou a laminação em 3D em seu Docol EV Design Concept para compartimentos de bateria. A laminação em 3D cria o fundo do compartimento que suporta a carga usando vigas, compostas por uma parte fixa e uma parte flexível. Em seguida, uma viga pode ser colocada perpendicularmente a um perfil semelhante – ou seja, virada de cabeça para baixo e colocada em um padrão de malha –– sem dobrar a sua altura na direção Z, economizando espaço no compartimento do passageiro.

A impressão em 3D (também conhecida como fabricação aditiva) impressionou os participantes da conferência ao apresentar componentes de BIW altamente complexos e inovadores. Um exemplo foi uma articulação de direção, otimizada e com baixo peso para se tornar 58% mais leve quando impressa em arame. A fabricação aditiva continua, por enquanto, a ser mais adequada para modelos de baixo volume, onde as economias nos custos de matrizes (US$ 250.000 e acima) e no peso dos componentes excedem o custo da impressão em 3D. Embora ainda seja inaceitavelmente lento para a maioria dos componentes, as taxas de deposição da impressão em arame estão acelerando a uma taxa que promete a interrupção gradual de muitos processos de fabricação de componentes de BIWs.