Como funcionam os Carros Elétricos
Escrito por Frisontech - Última atualização Qui, 23 de Dezembro de 2010 16:26
Introdução
Os carros elétricos estão em evidência na mídia. Vários motivos que explicam o interesse crescente por esses veículos:
Eles poluem menos do que carros movidos a gasolina, tornando-se uma alternativa ambientalmente saudável a esse tipo de veículo (especialmente nas cidades).
Quando se fala em carros híbridos, geralmente se fala em carros elétricos.
Veículos movidos a células a combustível são carros elétricos, e células a combustível estão em destaque nos meios de comunicação.
Regulador de 50 quilowatts
do motor de um carro
elétrico
Neste artigo, você aprenderá sobre como são fabricados e convertidos os os veículos elétricos. Também lerá sobre um programa inovador, que envolve estudantes de ensino fundamental e médio. O projeto viabiliza a construção e a corrida de carros elétricos.
Um carro elétrico é movido por um motor elétrico, em vez de por um motor a gasolina.
À primeira vista, é difícil saber se um carro é elétrico. Na maioria dos casos, esse tipo de veículo é feito a partir da conversão de um carro a gasolina. Sendo assim, torna-se impossível a identificação. Ao dirigir um carro elétrico, a única diferença perceptível é o fato de ele ser bastante silencioso.
Sob o capô, porém, há muitas diferenças entre os carros a gasolina e os elétricos:
O motor a gasolina é substituído por um motor elétrico.
O motor elétrico recebe força de um regulador, cuja alimentação é feita por um conjunto de baterias recarregáveis.
Com suas linhas de alimentação, sistemas de escapamento, mangueiras de refrigeração e filtros de ar, o motor à gasolina parece um projeto
de encanamento. Já um carro elétrico é um projeto de instalação elétrica.
Para se ter uma idéia sobre como funciona um carro elétrico, vamos analisar um deles. O veículo que utilizaremos para essa discussão é mostrado aqui:
O carro elétrico da foto tem
alguns adesivos bastante
chamativos. O proprietário
deste veículo é Jon Mauney.
Antes, este veículo elétrico era um Geo Prism 1994 movido à gasolina. Veja quais as modificações que o transformaram em um carro elétrico:
o motor a gasolina, o silenciador, o catalisador, o escapamento e o tanque de combustível, tudo foi removido;
toda a embreagem foi retirada. Já o câmbio manual foi preservado e travado na segunda marcha;
um novo motor de corrente alternada (CA) foi fixado ao câmbio com o uso de uma placa adaptadora;
um regulador elétrico foi instalado para controlar o motor CA;
O regulador de 50 kW
absorve 300 volts CC
(corrente contínua) e produz
240 volts CA em três fases. É
a caixa onde está escrito
"U.S. Electricar".
uma bandeja de baterias foi instalada no assoalho do carro;
cinqüenta baterias de chumbo-ácido de 12 volts foram colocadas na bandeja de baterias (dois conjuntos de 25, para gerar 300 volts CC);
motores elétricos foram colocados para movimentar equipamentos que usavam a força do motor a gasolina para isso: bomba de água,bomba de direção hidráulica e ar-condicionado;
uma bomba de vácuo foi instalada para o sistema de servoassistência do freio, que antes usava o vácuo do motor a combustão;
A bomba de vácuo está à
esquerda do centro
a alavanca do câmbio manual foi substituída por um interruptor, disfarçado de alavanca seletora de caixa automática, para marcha a frente e ré;
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Uma alavanca seletora de
caixa automática para
selecionar marcha à frente e
ré. Ela contém um pequeno
interruptor, que manda um
sinal para o regulador.
um pequeno aquecedor de água elétrico foi colocado para fornecer aquecimento para a cabine;
Aquecedor de água
um carregador foi instalado para que as baterias fossem carregadas. Este carro em particular tem dois sistemas de recarga: o primeiro por uma tomada normal de 120 ou 240 volts, e o outro por recarga Magna-Charge de placa indutiva.
Sistema de carga de 120/240
volts
Sistema de recarga MagnaCharge por placa indutiva
O medidor de combustível foi substituído por um voltímetro.
O medidor de combustível de
um carro elétrico pode ser
um voltímetro simples ou um
computador mais
sofisticado, que acompanha
o fluxo de ampères que vai e
volta do conjunto de baterias
O restante no carro é normal. Ao entrar para dirigir, coloca-se a chave na ignição e gira-se a chave para a posição "ligado". Depois, posiciona-se a alavanca em "drive" (marcha à frente), pisa-se no acelerador e o carro anda com o desempenho de um carro a gasolina. Conheça algumas informações interessantes sobre esse carro:
A sua autonomia é de cerca de 80 km.
Ele vai de 0 a 100 km/h em cerca de 15 segundos.
São necessários cerca de 12 quilowatts/hora de eletricidade para carregar o carro após rodar 80 km.
As baterias pesam em torno de 500 kg e duram de 3 a 4 anos.
Aqui está um exemplo que compara o custo por quilômetro do carro a gasolina com o deste carro elétrico. Se o custo da eletricidade é de R$
0,50 por quilowatt/hora, isso significa que para uma recarga completa teremos um custo de R$ 6. O custo por quilômetro, então, é de cerca de
R$ 0,075. A gasolina custa em torno de R$ 2,40 por litro e um carro faz aproximadamente 12 quilômetros por litro. Então, o custo por
quilômetro da gasolina é de R$ 0,20. Tomando esses exemplos como base, o custo por quilômetro do carro elétrico é apenas 37,5% daquele
do carro a gasolina.
Fica claro que o "combustível" dos veículos elétricos custa muito menos por quilômetro rodado do que o da gasolina . Para muitos, a autonomia de 80 km não se apresenta como fator limitante um motorista que mora na cidade ou nos arredores, raramente dirige mais do que 50 ou 60 quilômetros por dia.
No entanto, para que a nossa análise seja rigorosamente justa, precisamos incluir o custo de reposição das baterias no cálculo. Por enquanto, elas são o ponto fraco dos carros elétricos. A reposição de baterias para este carro fica em torno de R$ 4 mil. Elas durarão cerca de 30 mil quilômetros, o que dá em torno de R$ 0,15 por quilômetro. Agora fica fácil entender porque existe tanto interesse nas células a combustível. Elas seriam uma solução para o problema das baterias (veja mais detalhes sobre as células combustível mais adiante, neste artigo).
O que faz um carro elétrico funcionar é a combinação de:
Motor elétrico
Regulador do motor
Baterias
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Regulador CC conectado às
baterias e ao motor CC. Se o
motorista pisar fundo no
acelerador, o regulador
entrega todos os 96 volts das
baterias para o motor. Se o
motorista retira o pé do
acelerador, o regulador
entrega 0 volt para o motor.
Para qualquer situação
intermediária, o regulador
divide os 96 volts milhares
de vezes por segundo.
Assim, cria-se uma voltagem
média entre 0 e 96 volts.
O regulador recebe energia das baterias e a repassa ao motor. O pedal do acelerador está ligado a um par de potênciometros (resistores variáveis). Eles fornecem o sinal que avisa ao regulador quanta energiaa deve ser entregue. O regulador pode passar energia zero (carro parado), energia total (o motorista pisa fundo no acelerador) ou quaisquer níveis intermediários de energia.
Quando se abre o capô, este equipamento rouba a cena:
O regulador, de 50 kW e 300
volts, é a caixa em que se lê
"US Electricar"
Neste carro, o regulador recebe 300 volts CC das baterias. Depois, converte-os em um máximo de 240 volts CA, trifásica, para enviar para o motor. Isso é feito através de grandes transistores, que rapidamente ligam e desligam a voltagem das baterias para gerar uma onda senoidal.
Quando o acelerador é pressionado, um cabo do pedal se conecta com estes dois potênciômetros:
Os potenciômetros ligados
ao acelerador enviam um
sinal para o regulador
O sinal dos potenciômetros diz ao regulador quanta energia deve ser entregue para o motor elétrico do carro. Por medida de segurança, há dois potenciômetros. O regulador lê ambos e se assegura de que os sinais são iguais. Se não forem, o regulador não opera. Esse arranjo é para segurança, ao prevenir a situação em que um potenciômetro prenda na posição de aceleração máxima.
Os grandes cabos, à
esquerda, conectam o
conjunto de baterias ao
regulador. No meio deles,
localiza-se um grande
interruptor liga/desliga. O
conjunto de pequenos fios, à
direita, leva sinais dos
termômetros localizados
entre as baterias, bem como
aos ventiladores que mantêm
as baterias frias e ventiladas.
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Cabos grossos entrando e
saindo do regulador
A tarefa do regulador em um carro elétrico CC é fácil de entender. Vamos supor que o painel tenha 12 baterias de 12 volts, ligadas em série para criar 144 volts. O regulador recebe 144 volts CC e entrega-os ao motor de forma controlada.
O regulador CC mais simples seria um grande interruptor liga/desliga conectado ao pedal do acelerador. Ao se pressionar o pedal, o interruptor ligaria, e ao se retirar o pé, desligaria. O motorista teria que pressionar e soltar o acelerador para pulsar o motor, ligando e desligando o interruptor para manter uma dada velocidade.
Obviamente, esse sistema "liga/desliga" funcionaria, mas seria muito difícil de dirigir um carro assim. Sendo assim, o regulador pulsa o motor para o motorista, lendo a situação do pedal do acelerador através dos potenciômetros e regulando a energia adequadamente. Digamos que o acelerador esteja pressionado até a metade, o regulador lê esta posição através do potenciômetro e rapidamente liga e desliga a energia para motor, de forma que ele fique ligado metade do tempo e desligado na outra metade. Se o acelerador estiver pressionado a 25%, o regulador pulsa a energia de forma que o motor permaneça ligado em 25% e desligado em 75% do tempo.
A maioria dos reguladores pulsa mais de 15 mil vezes por segundo, de maneira a manter a pulsação fora dos limites da audição humana. A corrente pulsante faz com que a carcaça do motor vibre na mesma freqüência, assim, ao pulsar a mais de 15 mil ciclos por segundo, o regulador e o motor tornam-se silenciosos ao ouvido humano.
Um regulador CA se liga ao
motor CA. Utilizando seis
conjuntos de transistores, o
regulador recebe 300 volts
CC e produz 240 volts CA,
trifásica. Veja Como funciona
a eletricidade para ler uma
discussão sobre corrente
trifásica. O regulador ainda
fornece um sistema de
recarga para as baterias e
um conversor CC-CC para
recarregar a bateria de 12
volts dos acessórios.
Em um regulador CA, a tarefa é um pouco mais complicada, mas é a mesma idéia básica. O regulador cria 3 ondas pseudo-senoidais. Ele faz isso recebendo a voltagem CC das baterias e pulsando-a em ligado e desligado. Em um regulador CA, há a necessidade adicional de inverter a polaridadeda voltagem 60 vezes por segundo. Além disso, são necessários seis conjuntos de transistores em um regulador CA, enquanto somente um é necessário em um regulador CC. No regulador CA, para cada fase são necessários um conjunto de transistores que pulse a tensão e outro conjunto para inverter a polaridade. Duplicando isso três vezes por três fases teremos seis conjuntos de transistores.
A maioria dos reguladores CC usados nos carros elétricos são da indústria de empilhadeiras elétricas. O regulador CA Hughes da foto acima foi o mesmo utilizado no veículo elétrico GM EV1. Este regulador tem capacidade para entregar um máximo de 50 mil watts ao motor.
Motores e baterias dos carros elétricos
Carros elétricos podem utilizar motores CA e CC:
se for um motor CC, ele deve funcionar na faixa de 96 a 192 volts. Muitos dos motores DC utilizados nos carros elétricos vêm da indústria de empilhadeiras elétricas;
se for um motor CA, ele é provavelmente um CA trifásico, que funciona a 240 volts CA com um conjunto de baterias de 300 volts.
As instalações CC tendem a ser mais simples e menos caras. Um motor típico estará na faixa de 20 a 30 mil watts (por exemplo, um regulador
de 96 volts entregará um máximo de 400 ou 600 ampères). Os motores CC têm a boa característica de poderem operar com sobrecarga (até
um fator de 10 para 1) durante curtos períodos de tempo. Por exemplo, um motor de 20 mil watts aceitará 100 mil watts por um curto período e
produzir 5 vezes mais potência que a nominal. Isso é ótimo para acelerações rápidas momentâneas. A única limitação é o aquecimento do
motor. Se for utilizado demais nessa condição, ele aquecerá a um ponto em que se autodestruirá.
As instalações CA permitem o uso de quase todo o tipo de motor CA trifásico. Isso possibilita encontrar mais facilmente um motor com o tamanho, forma ou potência nominal desejados. Os motores e os reguladores CA geralmente têm uma característica regenerativa. Durante a frenagem, o motor se transforma em um gerador e devolve energia para as baterias.
Até agora, o ponto fraco dos carros elétricos são as baterias. Existem pelo menos seis importantes problemas com a tecnologia atual das baterias chumbo-ácido:
são pesadas (um conjunto de bateria chumbo-ácido normal pesa cerca de 500 kg ou mais);
são volumosas (o carro analisado tem 50 baterias de chumbo-ácido, cada uma medindo em torno de 15 x 20 x 15cm);
têm capacidade limitada (um conjunto típico de baterias chumbo-ácido armazena 12 a 15 kilowatt/hora de eletricidade, proporcionando ao carro uma autonomia de apenas 80 quilômetros);
demoram para recarregar (o período para recarga completa de um conjunto de baterias chumbo-ácido vai de 4 a 10 horas, dependendo da tecnologia e do carregador usados);
têm vida curta (3 ou 4 anos, talvez a 200 ciclos de carga/descarga);
são caras (algo em torno de 2 mil dólares para o conjunto de baterias do carro que utilizamos como exemplo).
As baterias chumbo-ácido podem ser substituídas por baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH). A autonomia do carro dobra e as baterias
duram 10 anos (milhares de ciclos de carga/descarga). No entanto, o custo dessas baterias é 10 a 15 vezes maior do que o custo das
baterias de chumbo-ácido. Em outras palavras, um conjunto de baterias níquel-hidreto metálico custará de R$ 40 mil a R$ 60 mil em vez de
R$ 4 mil. Os preços das baterias mais avançadas caem à medida que elas são mais vendidas. Então, nos próximos anos é possível que
pacotes de baterias níquel-hidreto metálico e lítio-íon se tornem competitivos com os preços das baterias chumbo-ácido. A partir de então, os
carros elétricos vão possuir uma autonomia muito maior.
Ao examinar os problemas associados com as baterias, surge uma nova perspectiva de análise em relação a gasolina. Dez litros de gasolina pesam cerca de 7,5 kg, custam em torno de R$ 24 e necessitam de 30 segundos para serem colocadas no tanque. São equivalentes a 500 kg de baterias de chumbo-ácido, que custam R$ 4 mil e levam 4 horas para recarregar.
Os problemas com a tecnologia das baterias explicam porque atualmente há tanta expectativa em torno das células a combustível. Se comparadas com baterias, as células são menores, muito mais leves e de recarga instantânea. Quando alimentadas por hidrogênio puro, não apresentam nenhum dos problemas ambientais associados à gasolina. É muito provável que o carro do futuro venha a ser um carro elétrico que usará eletricidade das células a combustível. Mas ainda é necessário muita pesquisa e desenvolvimento para que as células a combustível se tornem confiáveis e baratas para movimentar automóveis.
Todos os carros elétricos têm uma outra bateria a bordo. Trata-se da bateria chumbo-ácido de 12 volts que todo carro tem. Essa bateria fornece energia para os acessórios como faróis, rádio, ventiladores, computadores, airbags,limpadores de pára-brisa, vidros elétricos e instrumentos dentro do carro. Do ponto de vista econômico, é lógico que o carro elétrico também deve usar esses aparelhos, já que estão prontamente disponíveis e são padronizados em 12 volts.
Desta forma, um carro elétrico tem uma bateria chumbo-ácido de 12 volts para alimentar todos os acessórios. Para mantê-la carregada, o carro elétrico precisa de um conversor CC-CC. Este equipamento recebe a energia CC do painel principal de baterias (por exemplo a 300 volts CC) e converte-a para 12 volts, a fim de recarregar a bateria dos acessórios. Quando o carro está ligado, os acessórios usam a força do conversor CC-CC. Quando o veículo está desligado, usam a força da bateria de 12 volts, como em qualquer carro a gasolina.
O conversor CC-CC é normalmente uma caixa separada sob o capô, mas pode também estar embutida no regulador.
A recarga num carro elétrico
Qualquer carro elétrico que use baterias precisa de um sistema de recargapara elas. Esse sistema tem dois objetivos:
levar eletricidade para as baterias com a rapidez que elas permitirem;
monitorar as baterias e evitar que se danifiquem durante o processo de carga.
Corrente de
carga
Quando as baterias chumbo-ácido estão com a carga baixa, quase toda a corrente é absorvida pela reação química. Quando o estado da carga atinge um determinado ponto, a cerca de 80% dessa capacidade, mais e mais energia é gasta no aquecimento e eletrólise da água. O borbulhamento do eletrólito resultante é chamado informalmente de "fervura". Para que o sistema de recarga minimize a fervura, a corrente de carga deve baixar para os 20% restantes
do processo de carga.
Os sistemas de recarga mais sofisticados monitoram a voltagem, o fluxo de corrente e a temperatura da bateria para minimizar o tempo de
recarga. O carregador envia o máximo de corrente que pode, sem elevar muito a temperatura das baterias. Carregadores menos sofisticados
podem monitorar apenas a voltagem ou a amperagem e fazer certas suposições sobre as características médias da bateria. Um carregador
como esse pode aplicar a corrente máxima às baterias em até 80% da capacidade delas e então, nos 20% finais, cortar a corrente a um nível
pré-estabelecido, para evitar superaquecimento.
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O carro elétrico de Jon Mauney tem dois tipos diferentes de sistema de carga. Um deles aceita 120 ou 240 volts de uma tomada elétrica normal. O outro é o sistema indutivo Magna-Charge, popularizado pelo veículo GM EV1. Vamos analisar cada um desses sistemas separadamente.
O sistema de carga doméstico tem a vantagem de ser conveniente, a recarga poderá ser feita em qualquer lugar onde exista uma tomada. Entretanto, existe a desvantagem do tempo de carga.
Uma tomada doméstica de 120 volts tem um disjuntor de 15 ampères. Ou seja, a quantidade máxima de energia que o carro pode consumir é de aproximadamente 1500 watts, ou 1,5 quilowatt/hora por hora. Uma vez que o painel de baterias do carro de Jon normalmente precisa de 12 a 15 quilowatts/hora para uma recarga completa, ela pode levar de 10 a 12 horas para se realizar usando esta técnica.
Utilizando-se um circuito de 240 volts (como a tomada de uma secadora elétrica), o carro poderá receber 240 volts a 30 ampères, ou 6,6 quilowatts/hora. Esta solução permite uma carga bem mais rápida, levando de 4 a 5 horas para recarregar completamente o conjunto de baterias.
No carro de Jon, o tubo para abastecimento de gasolina foi removido. No lugar, foi colocada uma tomada de recarga. O simples ato de plugar com uma extensão de serviço pesado inicia o processo de recarga.
Ao abrir a tampa do
combustível, vê-se o plugue
para recarga
Detalhe do plugue
Foto: cortesia de Jon Mauney
O carro pode ser ligado em
qualquer lugar para fazer a
recarga
Neste carro, o carregador foi instalado dentro do regulador. Na maioria dos veículos convertidos domesticamente, o carregador é uma caixa separada, localizada sob o capô. Também pode ser uma unidade móvel separada do carro.
O sistema Magna-Charge é formado por duas partes:
uma estação de recarga instalada na parede de casa
Foto: cortesia de Jon Mauney
um sistema de recarga no porta-malas do carro
A estação de carga é ligada ao circuito de 240 volts e 40 ampères através do painel de circuito da casa.
O sistema de recarga envia eletricidade para o carro através de chapas indutivas:
Foto: cortesia de Jon Mauney
A chapa se encaixa em uma abertura escondida atrás da placa do carro.
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Foto: cortesia de Jon Mauney
A chapa atua como uma das metades de um transformador. A outra metade está dentro do veículo, posicionada ao redor da abertura, atrás da placa do carro. Quando a chapa é inserida, forma-se um transformador com a abertura e a energia se transfere para o carro.
Uma vantagem do sistema indutivo é que não existem contatos elétricos expostos. A chapa pode ser tocada ou até mesmo derrubada na água sem haver risco de choque. Outra vantagem é a capacidade que ela possui de puxar rapidamente uma quantidade significativa de corrente para o carro, pois a estação de recarga se liga a um circuito de 240 volts.
O conector de recarga de alta potência mais competitivo é o conhecido como"Avcon plug", usado pela Ford e por outros fabricantes. O "Avcon plug" tem contatos "cobre-cobre" em vez de chapas indutivas. Também possui uma conexão mecânica elaborada, que mantém os contatos cobertos, até que o conector esteja ligado ao receptáculo no veículo. Juntando esse conector com a proteção tipo GFCI (interruptor em caso de falha no aterramento) a conexão se torna segura em qualquer tipo de clima. Jon Mauney ressalta o seguinte:
Uma importante característica do processo de carga é a "equalização". Um veículo elétrico tem uma série de baterias (algo entre 10 e 25 módulos, cada
um contendo de 3 a 6 células). As baterias são muito similares, mas não idênticas. Desta forma, elas apresentam pequenas diferenças de capacidade e
resistência interna. Todas as baterias em uma série liberam a mesma corrente (leis da eletricidade). Entretanto, as mais fracas têm que "trabalhar duro"
para produzir a corrente. Sendo assim, estarão com a carga levemente mais baixa ao final da jornada. Conseqüentemente, as baterias mais fracas
precisam de mais recarga para voltar para a carga máxima.
Por estarem em série, as baterias também recebem exatamente a mesma quantidade de recarga. Isso deixa a bateria fraca ,ainda mais fraca do que era antes. Com o tempo, isso causa um estrago na bateria muito antes do que no resto do conjunto. Como a bateria determina a autonomia do veículo, esta diminui.
A solução comum para este problema é a "carga equalizadora". As baterias são levemente sobrecarregadas para garantir que as pilhas mais fracas cheguem à carga total. O segredo é manter as baterias equalizadas, mas sem danificar as mais fortes com sobrecarga. Há soluções mais complexas, que escaneiam as baterias, medem voltagens individuais e
enviam corrente de carga extra para os módulos mais fracos.
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