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Electricidade a bordo, desde o alternador até ao carro eléctrico (I)

Vamos tentar descrever com alguma profundidade o sistema elétrico de um carro convencional, micro-híbridos, híbridos e carros elétricos. Mas antes de entrarmos no assunto, vamos explicar de forma resumida alguns conceitos que são necessários para a compreensão do sistema elétrico. Vamos omitir os sensores, relés, fusíveis e outros acessórios para não confundir. Se você já conhece esses conceitos, pode passar ao ponto seguinte. E aqueles que não o fizerem, vou tentar ser o mais didático possível.


Conceitos anteriores

Como estávamos dizendo, vamos ver algumas coisas que todos conhecemos, mas que talvez não saibamos em profundidade. Para isso, faremos uma analogia com um sistema hidráulico, mais intuitivo e fácil de entender.

  • Atual: Conhecida na electricidade pelo símbolo "A", para ampere. Mede basicamente o fluxo (quantidade por unidade de tempo) de elétrons passando por um fio. Analogamente a um tubo, que seria o fluxo em litros por segundo. Quanto mais alta a corrente, mais grosso deve ser o fio. Como em um tubo, quanto maior o fluxo, maior o diâmetro necessário.
  • Voltagem: Seu símbolo é "V", de volts. É uma medida do potencial elétrico, e a analogia em hidráulica seria a pressão em uma tubulação. Quanto maior for a pressão, mais corrente pode haver (é por isso que é potencial). É como uma torneira fechada (interruptor): é manter a pressão (tensão) da tubulação (cabo), mas não há fluxo (corrente). Mas se for aberta, temos fluxo (corrente).
  • Resistência: A resistência é conhecida pelo símbolo "R", e é medida em ohms, em honra do Sr. Georg Simon Ohm, que listou uma lei muito importante para a eletricidade, que veremos mais tarde. Continuando com a analogia eléctrica, seria uma constrição no nosso tubo. Isto ajuda a modificar o fluxo (corrente) que temos no circuito. Embora ao custo da perda de pressão (tensão) que é dissipada como calor.
  • Capacitor: O capacitor tem o símbolo "C" e é medido em farads, em homenagem a Michael Faraday. Na electricidade serve duas finalidades: colocada em série, bloqueia a corrente contínua e deixa passar a corrente alternada. E em paralelo seria como uma pequena loja de correntes: armazena-a e deixa-a sair quando necessário. Em analogia hidráulica poderia ser comparado a um tanque intermediário, para manter o fluxo na tubulação.


  • A Lei de Ohm: A lei de Ohm relaciona tensão, corrente e resistência. Diz simplesmente isso: V = I * R. Assim, podemos calcular a resistência, se soubermos tensão e corrente: R = V / I, ou a corrente se conhecemos a tensão e a resistência: I = V / R.
  • Potência eléctrica: A potência eléctrica é medida em watts e tem o símbolo "w". É calculado como: P = V * I. Usando a lei de Ohm, também pode ser expressa como: P = V² / R ou P = I² * R.
  • Tensão/corrente CC: A tensão ou corrente CC é a que provém das baterias. É sempre constante, não varia entre positivo e negativo. Em inglês é conhecido como DC (direct current).
  • Tensão/corrente alternada: Esta é a tensão ou corrente que temos nas tomadas em casa. Esta tensão/corrente oscila de positivo para negativo 50 vezes por segundo (50 Hz). Ou seja, varia de +220 V a -220 V a 50 Hz. Em inglês é conhecido como AC (alternate current).
  • Alta voltagem: Para o nosso caso no carro, será quando tivermos a ordem de centenas de volts (100 a 600 V normalmente). Vamos conhecê-lo como HV. No caso do projeto de redes de distribuição ou geração de energia, a tensão é muito maior, na ordem de milhares de volts.
  • Baixa voltagem: Dentro do carro estará a rede de 12 V ou 48 V, nos modelos mais antigos era de 6 V. Vamos conhecê-lo como LV

Os conceitos são bastante pesados, mas necessários para entender como se comporta uma bateria. É algo semelhante às peças de um puzzle, agora vai parecer confuso, mas no final do artigo as peças serão encomendadas e farão sentido. Vejamos os parâmetros mais importantes dos dois componentes fundamentais: a bateria e o motor elétrico/gerador.


A bateria

Agora vamos falar das baterias, fundamentais em qualquer sistema elétrico de qualquer veículo, e de maior relevância agora que a eletrificação dos carros está chegando. Sabendo como funcionam, compreenderemos muito melhor os conceitos aplicados aos veículos híbridos e eléctricos.

Célula e bateria

Se você leu o artigo do nosso colega Dinesh, você terá visto uma explicação muito detalhada de como funciona uma célula de chumbo-ácido. Espera, o que é uma cela? Veja a foto no topo desta parte: é uma Tesla Modelo S nua. Se você olhar com atenção, você pode ver que há centenas de células cilíndricas dentro. Para os especialistas na área é a unidade mínima que desempenha a função de gerar eletricidade a partir de uma reação química. Basicamente, é um padrão de produção. Uma bateria será composta por duas ou mais células em série (normalmente) para atingir a tensão desejada. No caso de uma bateria automotiva, cada célula de chumbo-ácido produz na ordem de 2 V nominal. Portanto, a bateria de um carro tem 6 células em série. Isto é, 6S. O que significa 6S? Vamos lá ver isso.

Tipos de baterias

Agora que sabemos a diferença entre uma célula e uma bateria, vamos ver que tipos de baterias existem, dependendo da configuração das células. Aqueles de vocês que gostam de aviões modelo saberão muito bem disso. Uma vez que uma bateria é um agrupamento de células, dependendo de como são colocadas, vamos obter uma bateria diferente, dependendo do que queremos alcançar. Se os colocarmos em série, é indicado com "S", e se em paralelo, com "P".


Vamos tomar um exemplo. Vamos imaginar que temos 4 células LiFePo4 de 3,2 V e 1 Ah. As quatro configurações que podemos obter são:

  • 4S: As 4 células em série. Teremos a soma das tensões, mas a mesma corrente. Portanto, a bateria 4S será de 12,8 V e 1 Ah.
  • 4P: As 4 células em paralelo. Teremos a mesma voltagem, mas a soma das correntes. A bateria 4P resultante será de 3,2 V e 4 Ah.
  • 2S2P: Primeiro colocamos duas células em série (6,4 V e 1 Ah) e depois as colocamos em paralelo com outras duas. A bateria resultante seria de 6,4 V e 2 Ah.
  • 2P2S: Se colocarmos duas células em paralelo (3,2 V e 2 Ah) e as conectarmos em série com outro bloco igual, obtemos uma bateria de 6,4 V e 2 Ah. O mesmo resultado que o 2S2P, mas com uma diferença subtil. Neste caso, todas as células estão ligadas, equilibrando melhor as correntes.

Em resumo: se precisarmos de mais voltagem, adicionamos células em série. Se precisarmos de mais corrente, adicionamos células em paralelo.

A química da electricidade

Dependendo do tipo de compostos químicos utilizados no interior da célula, iremos obter características específicas em densidade energética, ciclos de carga/descarga, tensão, corrente, etc. Anexo uma tabela de resumo para que você possa ver as diferenças num relance.

Para o que estamos interessados, NiMH são os de Nickel Metal Hydride (como usado pela Toyota no Prius). Os que têm este nome impronunciável, LiMnxNiyCozO2, são Lithium Ion, como os que temos nos nossos telemóveis. Algumas variações no composto são frequentemente utilizadas, como o Tesla, que utiliza LiNiCoAlO2. Mas genericamente são chamados de Lithium Ion. E finalmente, o ácido de chumbo, que carregamos no carro. Uma nota: As baterias AGM ou gel têm tensões ligeiramente diferentes das baterias chumbo-ácidas.

E porque escrevi este "tocho"? Bem, precisamente para entender o seguinte ponto, que é fundamental no sistema elétrico. Como a energia é armazenada na bateria.

Tensão de carga e descarga

Dependendo da voltagem que vemos nas células da tabela de acordo com a sua química, e dentro de algumas margens, uma célula será carregada ou descarregada. Vamos tomar o exemplo da célula de chumbo-ácido. Se a sua tensão (ou tensão) atingir 2,4 V, é carregada. E se tiver 1,9 V, está descarregada. Se multiplicarmos esta voltagem pelas células em série que temos (lembre-se 6S), isso nos dá um limite de 14,4 V para carga e 11,4 V para descarga completa aproximadamente. Para além destes valores, estaremos a destruir a bateria.

Cada tipo de célula, terá alguns valores recomendados pelo fabricante, carga e descarga. Em geral, não devem ser carregados mais de 100% (excedendo a tensão de carga máxima), e descarregados abaixo de 20%. No caso do chumbo-ácido, 20% de descarga seria apenas a 12 V. Ao manter estas margens de segurança, garantimos que não destruiremos a bateria durante os seus ciclos de carga e descarga. É por esta razão que, mesmo que um fabricante anuncie uma certa capacidade na sua bateria, a margem de utilização é menor. A bateria nunca ficará abaixo de 20%. E, normalmente, também não chega a 100%, para deixar espaço para a recarga da frenagem regenerativa. Portanto, quando você vê uma certa capacidade de bateria, fique com 70%, que é o que é realmente utilizável.

Com que rapidez posso carregar e descarregar uma bateria? Bem, depende da sua química. O fabricante da célula nos dá o valor recomendado em carga e descarga no fator "C". Por exemplo, temos uma célula LiFePo4, com 3,2 V nominal, 20 Ah (amperes por hora), 2 V como ponto de descarga máxima, e 3,7 V como carga máxima, e diz-nos para usar 1 C na carga e 5 C na descarga. Bem, simplesmente multiplicando pela quantidade de Ah que a bateria tem. Neste caso, podemos carregar a célula com 20 A, e descarregar 20 x 5 = 100 A.

Energia

Qual é o poder desta célula? Bem, se multiplicarmos a tensão por corrente, temos 64 W em carga e 320 W em descarga.

Vamos ver agora uma bateria de carro, e como interpretar os dados. Por exemplo, um 12 V, 60 Ah e 680 CCA (Cold Cranking Amps). O CCA seria a capacidade máxima de descarga da bateria, e se dividirmos 680 por 60, vemos que é de aproximadamente 11 C. A potência nominal da bateria seria de 12 x 60 = 720W. A potência máxima seria de 12 x 680 = 8.160 W.

Vamos explicar o que significa "Ah". Amperes por hora dá-nos uma ideia da capacidade da bateria. Isso significa que se usarmos 60 amperes de descarga, a bateria será drenada em uma hora. Se usarmos 30 amperes, vai durar duas horas. E assim por diante.

Carregando a célula

Então como é que o cobramos? É aqui que a curva de carga entra em jogo. Geralmente há três fases de carga: carga em tensão constante, carga em corrente constante, e manutenção. Na primeira fase, a corrente é deixada constante, e a bateria sobe de voltagem. Quando atinge sua voltagem máxima, a voltagem é deixada constante, e a bateria vai consumir menos corrente com o tempo. Quando a corrente se aproxima de zero, a bateria está totalmente carregada. A partir daí, vamos baixar um pouco a tensão, e deixar uma pequena corrente de manutenção.

Portanto, quanto mais corrente uma célula fornece, mais rápido ela pode ser carregada e mais potência terá. Isto é o que o nosso telemóvel faz todos os dias, quando o ligamos ao carregador.

Vida de uma célula

Vamos agora para a vida das celas. Além de respeitar a tensão máxima e mínima, é importante mantê-las dentro da sua temperatura de trabalho. As baterias também têm resistência, por isso, quando são carregadas e descarregadas, aquecem. Eles não gostam de frio ou calor excessivos. A temperatura ideal? Como a nossa: cerca de 25 ºC, com 5 ºC para cima ou para baixo. A essa temperatura eles trabalham bem e durarão toda a sua vida sem problemas. A uma temperatura mais alta, oferecerá um pouco mais de desempenho, ao custo do desgaste da bateria. A temperaturas mais baixas, o desempenho cai rapidamente. Portanto, é necessário controlar a sua temperatura para um bom desempenho.

Porque é que eles se desgastam? Explicação rápida: com o carregamento e a descarga, os eletrodos se expandem e se contraem, produzindo ao longo do tempo micro-fendas que fazem com que o desempenho da célula diminua. O número de ciclos que vimos na tabela anterior garante que, após esse número, a célula mantém 80% da sua capacidade. Portanto, com o tempo, a célula vai armazenar menos energia. É por isso que a bateria do nosso telemóvel dura menos, quanto mais tempo tem. Lembre-se que estes ciclos são para carga completa, ou seja, quando você chega a 0% e carrega a 100%. Portanto, se você recarregá-lo duas vezes de 50% a 100%, ele contará como um ciclo único.

O motor elétrico/gerador

Um gerador eléctrico é um dispositivo que transforma o movimento em electricidade. Um motor eléctrico transforma a electricidade em movimento. É tão simples quanto isso. Existem diferentes tipos, dependendo do seu design. Mas eles têm em comum que há sempre uma parte móvel (rotor) e uma parte fixa (estator).

Geralmente, há reciprocidade nos motores eléctricos: se os movermos, eles geram electricidade. E também nos geradores: se lhes aplicarmos electricidade, eles movem-se. Portanto, são geralmente conhecidas como máquinas eléctricas, porque fundamentalmente um motor e um gerador são a mesma coisa, apenas utilizados de uma forma diferente. Se eles podem ser recíprocos depende do seu design, principalmente da electrónica associada.

Como exemplo, vamos usar o alternador do carro. A sua função é gerar electricidade e, inicialmente, não funciona como um motor. Com algumas pequenas modificações em sua eletrônica, é possível utilizá-lo como motor elétrico. Para simplificar, vamos classificar os motores/geradores em dois tipos: aqueles que funcionam/geram corrente contínua (CC) - alguém se lembra dos carros Scalextric - e aqueles que funcionam/geram corrente alternada (CA). Continuando com o exemplo do alternador do carro, ele gera corrente alternada. Mas converte-a em corrente contínua por meio da electrónica.

Bem, nós terminamos com a parte chata da teoria e estabelecemos as bases para entender como os sistemas elétricos de qualquer carro são projetados. Na próxima parte, veremos as diferenças entre eles...



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