Eletrificação Identifica o processo pelo qual dispositivos elétricos foram sendo incorporados ao veículo como elementos acessórios ou de tração.
Começou no início do século 20 com introdução do carro elétrico, período em que este representava quase 30% dos carros que rodavam nos EE UU e cuja autonomia estava em torno de 80 km por carga de bateria.
No entanto, a baixa densidade de energia da bateria de chumbo-ácido com relação à da gasolina e o baixo custo desta última resultaram no declínio e desaparecimento do carro elétrico. A densidade de energia da gasolina é quase 500 vezes superior à da bateria de chumbo-ácido.
O processo de eletrificação continuou, no entanto, com a incorporação de dispositivos acessórios elétricos tais como iluminação, rádio, motor de partida.
A partir da década de 1980, com o desenvolvimento de novas tecnologias de baterias (Níquel-metal-hidreto; Lítio-íon) o carro elétrico se apresentou, novamente, como uma opção viável.
Primeiramente, a tração elétrica foi incorporada ao veículo com motor de combustão dando origem assim, ao híbrido-elétrico.
Em paralelo, continuou o desenvolvimento do carro totalmente elétrico (elétrico puro) que, no entanto, sofreu atraso na sua introdução no mercado, entre outros fatores, devido às características das baterias disponíveis. No entanto, como era de se esperar, a evolução tecnológica tem diminuído (mas não eliminado) o impacto de tais fatores negativos, alguns dos quais são analisados a seguir.
- Peso e volume. As primeiras baterias utilizadas foram as de NiMH (hidreto metálico de níquel) mais volumosas e de baixa densidade de energia. Atualmente, são utilizadas as de Li-íon (íon-lítio). Ainda assim, num carro elétrico pesam entre 150 e 300 kg e ocupam um espaço considerável. Num carro híbrido o peso está entre 30 e 50 kg.
O Nissan Leaf, por exemplo, cujo peso é de 1600 kg, aproximadamente, carrega aproximadamente, 270 kg de baterias para uma autonomia de somente, 120 km.
- Densidade de energia. Corresponde à energia (W) que pode fornecer por hora de funcionamento e por kg de peso. O quadro ao lado apresenta um comparativo, com valores aproximados, entre os diversos tipos de baterias disponíveis e o óleo diesel e a gasolina. Reparar que a densidade da gasolina é 80 vezes superior à oferecida pela bateria de Lítio-Íon.
- Autonomia. Depende em grande parte dos hábitos de condução, mas, está entre 80 e 120 km. No caso dos elétricos de faixa estendida (GM Volt), o motor de combustão interna amplia esta autonomia de forma considerável.
- Tempo de recarga da energia. Dependendo do modelo considerado, o veículo elétrico atual precisa entre 4 e 8 horas de carga (numa fonte externa) para uma autonomia de 120 a 180 km. Já um veículo a gasolina é totalmente reabastecido em menos de 5 minutos para uma autonomia de 400 km, aproximadamente.
Na década de 1970 o único tipo de bateria disponível era a de chumbo/ácido, que em função do seu peso e baixa densidade de energia, só era utilizada em pequenos veículos elétricos. Já, na década de 1990, o desenvolvimento da bateria de NiMH, que aumentou consideravelmente a densidade de energia disponível, possibilitou a produção dos primeiros híbridos de sucesso comercial: Toyota Prius e Ford Escape, entre outros. Mais recentemente, o desenvolvimento da bateria de Li-íon trouxe uma melhora de quase 50% na densidade de energia.
Configurações
O processo de eletrificação do automóvel, que se desenvolveu nos últimos 10 a 15 anos, teve como resultado o aparecimento das seguintes configurações:
1. Veículo híbrido elétrico. É aquele cuja fonte primária de energia é um motor de combustão interna de ciclo Otto ou diesel. A energia elétrica funciona como fonte adicional ou alternativa de potência. A bateria é carregada pelo motor de combustão ou pela frenagem regenerativa.
2.Veículo híbrido elétrico “plugável”. É aquele veículo híbrido elétrico cuja bateria pode ser carregada, também, através de fonte externa ao veículo.
3. Veículo elétrico puro. É aquele cuja única fonte de energia é uma bateria que deve ser carregada, obrigatoriamente, através de fonte externa ao veículo.
4. Veículo elétrico de faixa estendida. Dispõe de um motor de combustão interna que aciona um gerador para recarga da bateria quando necessário. Pode ser considerado, também, como híbrido. A diferença reside em que no elétrico de faixa estendida, a bateria e o sistema de propulsão estão dimensionados de forma tal que o motor de combustão interna só funciona quando não há suficiente energia disponível na bateria, alimentando o motor elétrico através do gerador.
Nota: Uma outra opção a ser adicionada ás descritas acima, é a oferecida pelo híbrido Toyota Crown 3.5/V6 com a que é possível escolher (pressionando um botão) o modo “veículo elétrico”, modo este em que o veículo é operado somente com o motor elétrico.
Hibridação Elétrica do Trem de Força
A hibridação ou hibridização do trem de força é o processo através do qual algum tipo de máquina elétrica é incluído na linha de transmissão de potência do veículo para assistir na movimentação do mesmo e para recuperar a energia cinética durante as frenagens e desacelerações.
Com base na relação entre a potência do motor elétrico e a potência total disponível (motor de combustão mais motor elétrico), denominada índice ou grau de hibridização ou hibridação, os veículos híbridos podem ser classificados em: micro-híbridos, híbridos leves e híbridos completos ou puros.
O índice de hibridação dos micro-híbridos e híbridos leves está entre 10 e 30% e o dos híbridos puros, entre 35 e 60%.
- Micro- Hibrido. É aquele equipado com: 1) sistema de “partida-parada” (start-stop); 2) frenagem regenerativa; 3) bateria de chumbo/ácido de 12V ou 42V, com um máximo de 2 a 7kW de fornecimento de potência. O motor de combustão é a fonte primária de potência.
- Híbrido “leve” ou “meio híbrido”. É aquele equipado com: 1) sistema de “partida-parada”; 2) frenagem regenerativa; 3) motor elétrico de 5 a 15kW, que assiste o motor de combustão em baixa velocidade e nas acelerações, mas sem a potência suficiente para movimentar o veículo; a fonte primária de potência é o motor de combustão; 4) elemento de armazenamento (baterias) de 60 a 200V.
Em alguns casos, BMW, por exemplo, a energia recuperada com a frenagem regenerativa é utilizada para alimentar os acessórios elétricos do veículo como vidro elétrico, equipamento de áudio, A/C, etc. Utilizando desta forma a energia cinética recuperada, a carga sobre o alternador é reduzida diminuindo as perdas parasitas.
- Híbrido “completo” ou “puro”. É aquele equipado com: 1) sistema de “partida-parada”; 2) frenagem regenerativa; 3) motor elétrico de 50 a 70kW; 4) elemento de armazenamento de 200 a 600V.
A principal característica que o diferencia dos híbridos leves é que o motor elétrico possui potência suficiente para movimentar o veículo desde a condição de parado e em baixa velocidade, sem ligar o motor de combustão. O motor de combustão é a fonte secundária de potência.
Cabe ressaltar que os veículos híbridos precisam de um sistema de gerenciamento de distribuição de potência, na forma de uma unidade eletrônica, que tem a funcionalidade de alocar a energia elétrica disponível de acordo com o estado de carga do dispositivo de armazenamento (bateria, ultracapacitor), do motor/gerador e dos acessórios elétricos.
Vantagens dos Sistemas Híbridos Elétricos
Entre as características mais significativas dos sistemas híbridos, podem ser mencionadas as seguintes:
1.Redução das perdas de energia. O motor de combustão é desligado durante as fases de marcha lenta com o veículo parado, reduzindo assim o consumo de energia que seria de uma outra forma, desperdiçada. Também pode ser desligado nas desacelerações e frenagens.
2.Recuperação e reuso de energia. A energia que seria normalmente desperdiçada, durante as desacelerações e frenagens, é recuperada na forma de energia elétrica e armazenada no "pack" de baterias de alta tensão para seu posterior uso no acionamento da partida do motor de combustão e no motor elétrico de tração.
3. Alta eficiência no controle da operação do sistema. Isto é conseguido através do uso do motor elétrico para a movimentação do veículo nas condições operacionais em que a eficiência do motor de combustão é baixa, e para a geração de energia elétrica quando a eficiência deste último é alta.
Híbrido “Plugável”
Como já mencionado, o híbrido “plugável” é aquele cuja bateria pode ser carregada por fonte externa. Para tal fim, possui um carregador interno que adapta a tensão da rede elétrica à de carga da bateria. Dentre os muitos “plugáveis” já existentes no mercado, o Chevrolet Volt será utilizado como exemplo. Pode ser considerado também, um veículo elétrico de faixa estendida.
As imagens abaixo apresenta o diagrama funcional e a figura ao lado apresenta os elementos que fazem parte da transmissão de potência mecânica e da geração de energia elétrica.
Componentes
- Motor de combustão 1.4. Utilizado para acionar o motor/gerador MG1 (E3 acoplada) e indiretamente, fornecer potência às rodas (E3 e E2 acopladas).
- Motor/gerador principal MG2. Utilizado na tração e na frenagem regenerativa.
- Motor/gerador auxiliar MG1. Utilizado na carga da bateria, na frenagem regenerativa e na partida do motor de combustão.
- Dois inversores/retificadores. Utilizados para adaptar as tensões de operação dos motores/geradores (trifásica) e da bateria (DC). O inversor/retificador 1 possui também, a função de carregador.
- Conjunto planetário (trem epicicloidal). Utilizado para adequar o torque gerado por MG2 e pelo motor de combustão às condições de operação do veículo. MG1 está ligado à roda de coroa, MG2 ao planetário e a saída (rodas) é pelo conjunto de satélites.
- Três embreagens (E1, E2 e E3). Utilizadas para controlar a operação do motor de combustão e de MG1. Em particular, E1 tem funcionalidade similar à de uma cinta de freio. Quando acionada, trava a roda de coroa à carcaça da transmissão, impedindo a sua movimentação.
O conjunto planetário, MG1, MG2 e as 3 embreagens estão integrados na transmissão automática controlada eletronicamente que dispõe, ainda, de bomba hidráulica mecânica acionada pelo motor de combustão quando este está em funcionamento, e de bomba elétrica, utilizada na condição de motor de combustão desligado.
O sistema é controlado por uma unidade de comando (UC) com as seguintes funções básicas:
- Controle da tração com base nas solicitações do condutor do veículo. Isto é feito controlando eletronicamente os inversores/retificadores de forma a fornecer a energia necessária ao torque requerido por MG2 e, quando necessário, por MG1.
- Controle da frenagem regenerativa. A recuperação de energia cinética é realizada na medida em que o torque negativo e a potência gerada estejam dentro dos limites de operação de MG1 e MG2 e que o estado de carga da bateria seja inferior ao limite máximo; isto, para evitar a situação de sobrecarga. No caso de atingir este máximo, o excesso de frenagem necessário é realizado através do freio hidráulico convencional.
- Controle do estado de carga da bateria. É realizado através de MG1 e o motor de combustão. A estratégia consiste em ligar o motor de combustão quando o estado de carga atinge o mínimo e desligá-lo quando atinge o máximo. Desta forma, pode ser operado na sua condição de máxima eficiência em função de que o seu funcionamento independe da potência de tração requerida.
Funcionamento
Quando em funcionamento, o veículo opera em algum dos seguintes modos:
1. O veículo opera no modo elétrico. O motor de combustão permanece desligado e o veículo é movimentado por MG2. MG2 e MG1 são utilizados para recuperar energia cinética durante as frenagens e desacelerações. E2 permanece desacoplado e E1 acoplado travando a roda de coroa. Para marcha-ré MG2 gira em sentido inverso.
2. O veículo opera no modo “elétrico” com velocidade em torno de 110km/h. Nesta condição o MG2 gira a 6500 rpm, com tendência a perda de eficiência. Neste ponto a UC aciona MG1 para operar em paralelo, desacoplando E1 e acoplando E2. Isto permite reduzir a rotação de MG2.
3. O estado de carga da bateria cai para a faixa de 20-25%. Nesta situação, com o veículo rodando a menos de 110km/h, o motor de combustão é ligado acoplando E3 e acionando MG1 como motor. E2 permanece desacoplada e E1 acoplada. Uma vez em funcionamento, o motor de combustão aciona MG1 que passa a funcionar como gerador, produzindo suficiente energia para alimentar MG2 e, segundo as condições de operação, recarregar a bateria. A carga restante na bateria é utilizada para atender às solicitações transitórias. Nesta condição de funcionamento, o veículo opera no modo “faixa estendida” ou “manutenção de carga”.
4. O veículo opera no modo “faixa estendida” com velocidade em torno de 110km/h. De forma similar ao procedimento aplicado quando no modo “elétrico” (item 2 acima), E2 é acoplada, E1 é desacoplada e o motor de combustão passa a operar em paralelo com MG2. A diferença é que, neste caso, MG1 é acionado pelo motor de combustão e não eletricamente. Mecanicamente, através de MG1, o motor de combustão aciona as rodas, ainda que indiretamente. No entanto, o motor de combustão nunca opera como única fonte de potência. Assim que a velocidade diminui para menos de 110km/h, MG1 é desligado da roda de coroa desacoplando E2; a seguir, E1 é acoplada.