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

Carro convencional

Simplificando ao máximo, qualquer automóvel convencional (que não seja micro-híbrido, híbrido ou eléctrico) tem quatro elementos no seu sistema eléctrico:

• Gerador (Alternador)
• Bateria
• Eletrônica de controle
• Consumidores (motor de arranque, velas de ignição, ventiladores, janelas, luzes, rádio, etc.).

O alternador irá carregar a bateria quando o carro estiver em funcionamento, sendo a carga gerida por uma electrónica de controlo muito básica. Com o motor em funcionamento, os consumidores retiram energia do alternador. Enquanto estiver parado, eles estarão a consumir da bateria. Como comentário pormenorizado, o alternador tem normalmente uma polia mais pequena, para multiplicar as suas rotações em relação ao virabrequim. Desta forma, em modo inativo, temos energia elétrica suficiente. Normalmente atinge a geração máxima entre 4.000-6.000 RPM, dependendo do design feito pelo fabricante.

Um carro médio tem normalmente um alternador de 100-150 A de corrente de geração, a 14,4 V. Isto significa que sua potência elétrica máxima estará entre 1.440 W e 2.160 W. Geralmente é dimensionada de tal forma que, somando a potência de todos os consumidores ao mesmo tempo, mais uma margem de segurança, ela é igual à potência do alternador. Portanto, é necessário ter cuidado ao instalar cargas adicionais, por exemplo, um sistema de estéreo muito potente.

O dimensionamento da bateria é baseado principalmente no motor de arranque: quanto mais pesado for o motor, mais potência o motor de arranque necessita, e mais corrente vai tirar da bateria. É por isso que os motores diesel tendem a ter baterias mais potentes, bem como motores a gasolina maiores.

Micro-híbrido

Agora vamos falar de um termo que gera controvérsia, porque não está muito claro a que tipo de sistema se refere. Como conceito, podemos defini-lo como um sistema a meio caminho entre um carro convencional e um híbrido, sem motor elétrico para tração. Portanto, dentro dessa definição, muitas coisas se encaixam.

O que deveria ser, na minha opinião? Bem, um sistema com os seguintes componentes:

• Motor/Gerador (Alternador)
• Bateria auxiliar (12 V)
• Bateria de armazenamento (48 V)
• Conversor DC/DC
• Consumidores
• gerenciamento elétrico do ECU

Assim, com o sistema auxiliar de 48 V, alguma energia pode ser recuperada durante a frenagem, carregando a bateria de 48 V e depois fornecida aos consumidores, e mesmo os componentes convencionais acionados por correia podem ser substituídos por componentes elétricos, como o compressor de ar condicionado. Desta forma, quando o carro pára num semáforo, a refrigeração continua a funcionar, mesmo quando o motor está parado.

O conversor DC/DC muda a tensão DC de 48 V para 12 V, a fim de adaptá-la aos consumidores. E vice versa, de 12 V a 48 V para recarregar a bateria. O alternador funciona como motor de arranque, proporcionando a funcionalidade de arranque/paragem, e como gerador, para alimentar o sistema de 12 V e 48 V. Tudo isto é gerido por uma ECU dedicada.

O sistema de 48V oferece a vantagem de ter mais potência, sem ter valores de corrente muito altos. Por exemplo, para uma potência de 3.000 W, a 12 V teríamos uma corrente de 250 A, que é muito e exigiria seções de cabo muito grossas (maior peso e custo). Por outro lado, com os mesmos 3.000 W, a 48 V a corrente cairia para 62,5 A. Menos corrente, cabos mais finos, menor peso e menor custo. É por isso que o transporte de energia de longa distância é feito a uma tensão muito alta.

Isto é algo de que se falou há alguns anos, com alguns protótipos: Peugeot 208 Hybride Eco ou Audi iHEV, mas até onde eu sei, não foi levado à produção. Na verdade, o primeiro fabricante a produzir em massa um modelo com sistema auxiliar de 48V foi a Audi no SQ7 TDI deste ano. Outra vantagem de tal sistema é poder ter consumidores mais exigentes, como turboalimentadores elétricos, e reduzir o peso da fiação.

O que é uma micro-híbrida hoje em dia? Bem, nada mais do que um carro com um sistema stop/start e uma bateria mais potente. Os seus componentes, muito semelhantes aos de um carro convencional, são os seguintes:

• Motor/Gerador (alternador) ou gerador (alternador) + motor de arranque reforçado.
• Bateria auxiliar (12V)
• Consumidores
• gerenciamento elétrico do ECU

Não confundir com um Stop&Start, pois por exemplo o i-Stop da Mazda utiliza "energia de combustão" em vez de um acumulador eléctrico.

É verdade que neste caso o PSA incorpora um pequeno banco de supercapacitores. Um supercapacitor nada mais é do que uma mistura entre um condensador e uma bateria (mais condensador do que bateria), que é capaz de fornecer uma corrente muito alta em pouco tempo. Devido ao tamanho usado pelo PSA, não é usado para acumular muita energia. A sua função é antes evitar sobrecarregar a bateria do carro durante o arranque, controlada a todo o momento pela ECU de gestão eléctrica, que monitoriza o estado de carga da bateria. Neste caso, o alternador desempenha tanto as funções de arranque como as de produção de electricidade.

O que acontece no verão quando você pára em um semáforo? O compressor de ar condicionado deixa de funcionar e a temperatura no interior do carro sobe como resultado. Se se erguer demasiado, o motor vai arrancar novamente. No inverno o problema é menor, porque o calor desperdiçado do circuito de ar condicionado é maior, e não causa tantos inconvenientes.

Híbrido

Agora passemos ao prato principal, pois um híbrido é o que tem a máxima complexidade, tendo que coordenar o sistema de propulsão térmica com o elétrico. Antes de descrever o sistema elétrico de um híbrido, devemos dizer que existem três tipos de híbridos: série, paralelo e misto.

• Série híbrida: Uma série híbrida é basicamente um carro eléctrico, onde o motor serve apenas como gerador eléctrico. Ou seja, o motor térmico não tem ligação mecânica com as rodas. Este conceito levado ao extremo é chamado de extensor de alcance ou elétrico, como o Opel Ampera ou o anterior BMW i3, com uma diferença importante: o motor primário é elétrico, o motor de combustão é um gerador simples.
• Híbrido paralelo: Um híbrido paralelo tem uma ligação mecânica entre o motor térmico e as rodas, e pode ser impulsionado pelo motor térmico, pelo motor eléctrico ou por ambos ao mesmo tempo. A única desvantagem é que o motor térmico não carrega a bateria de tracção.
• Híbrido misto: O híbrido misto resolve este problema. O carro pode ser accionado pelo motor térmico, pelo motor eléctrico ou por ambos. E ao mesmo tempo, o motor térmico é capaz de recarregar a bateria de tracção. Esta configuração é utilizada pela Toyota, Lexus, Volvo, Kia, Hyundai, Mitsubishi, Audi, BMW, Porsche, Mercedes, Volkswagen, etc. Como podem ver, é o mais comum.

Do ponto de vista do sistema eléctrico, os três tipos têm praticamente o mesmo, com pequenas excepções. Vamos nos concentrar no híbrido misto por ser o mais comum e que tem toda a complexidade. Os sistemas que inclui são:

• Gerador auxiliar (alternador)
• Bateria auxiliar (12 V)
• Gerador principal (motor elétrico auxiliar)
• Motor elétrico (tração)
• Compressor de Ar Condicionado Elétrico
• Aquecedor Auxiliar Eléctrico (PTC)
• Direcção assistida eléctrica
• Servofreio elétrico (bomba de vácuo ou assistência direta)
• Inversor / Controlador
• BMS
• Conversor bidireccional DC-DC (AT/BT)
• Bateria de tracção (AT: 300 a 600 V)
• Ar condicionado por bateria de tracção
• gerenciamento elétrico do ECU

Vamos comentar cada um deles, deixando de lado o alternador e a bateria auxiliar, de que já falámos.

O gerador principal é acoplado ao motor e está encarregado de carregar a bateria, ou gerar eletricidade que será consumida instantaneamente pelo motor elétrico, ou ambos. Tudo depende do que é necessário em um dado momento.

O motor de tracção eléctrica (C na imagem), é normalmente de corrente alterna (CA) e está obviamente acoplado mecanicamente às rodas, quer directamente quer através de uma engrenagem de redução. Menciono um fabricante interessante de motores eléctricos: Yasa Motors. Eles são responsáveis pela propulsão eléctrica do Koenigsegg Regera. Ou Fukuta. Corre o rumor de que ele alimenta o Tesla, embora Elon Musk nunca tenha confirmado (ou negado).

Se o carro se move em modo 100% eléctrico, o motor de combustão não funciona. O que acontece à direcção assistida, ao servo-freio, ao compressor de ar condicionado ou ao aquecimento? Bem, eles têm de ser eléctricos. Isto acrescenta muita complexidade aos sistemas auxiliares. Um aquecedor PTC é normalmente usado como aquecedor elétrico. E para o servofreio existem duas maneiras: ou com uma bomba elétrica que gera o vácuo necessário, ou através de um motor elétrico acoplado diretamente ao cilindro mestre do freio, assim como a direção elétrica.

O vaivém eléctrico (A) é uma das partes mais importantes do sistema. É responsável pela condução do motor eléctrico, convertendo a tensão fornecida pela bateria de tracção numa tensão/corrente adequada para o motor. Também está encarregado de "ler" o acelerador, de saber que impulso o motor elétrico precisa; e de realizar a regeneração, tendo em conta o quanto temos pressionado o freio. É obviamente um sistema electrónico muito complexo, com centenas de parâmetros programáveis. Este sistema está em estreita comunicação com a ECU do sistema eléctrico. Um fabricante de inversores? Sevcon.

Vamos agora para o BMS ou Sistema de Gestão de Bateria (D). Num carro híbrido ou eléctrico, a bateria já tem centenas de células que precisam de ser cuidadas. É para isso que serve a BMS. Ele mede a tensão de cada célula individual e corta a carga quando ela está cheia. Então você tem que passar um cabo para cada célula a partir do BMS. Também equaliza todo o conjunto de células. O que é equalizar? É simplesmente equalizar a carga entre eles. É óbvio que as células não são perfeitas, e devido às tolerâncias de fabricação, algumas aceitarão mais carga do que outras, ou simplesmente algumas se degradarão mais cedo. Este sistema também está em estreita comunicação com a ECU do sistema eléctrico. Um fabricante de BMS? Elektromotus com as suas EMUS.

Vamos agora para o conversor DC-DC (B). Como a bateria será de alta tensão, temos que ter algum dispositivo para passar de centenas de volts para 12V, o que faz funcionar todos os sistemas auxiliares. Isto é feito pelo conversor DC-DC. Se for bidireccional, também é capaz de converter 12V para centenas de volts. Um exemplo de um fabricante de componentes para veículos eléctricos, envolvido na competição: Brusa.

Vamos falar sobre a estrela do veículo híbrido: a bateria. Será composto por centenas de células, e terá capacidades de cerca de 6-10 kW. Vamos assumir que uma célula tem 40 W de potência. Para fazer uma bateria de 6 kW (6.000 W), serão necessárias 150 células. Dependendo de como fazemos o pacote, teremos mais tensão, ou mais corrente.

Vejamos um exemplo: o Toyota Prius 2016. Das suas especificações temos que a sua potência total combinada é de 122 hp. E vemos que o motor térmico dá 98 cv e o motor elétrico 72 cv (53 kW), que somados somam 170 cv. Não corresponde, pois não? Isto deve-se à corrente máxima que a bateria pode fornecer, que está abaixo da potência que o motor eléctrico é capaz de fornecer, o que neste caso, subtraindo 122 cv dos 98 cv do motor térmico, nos dá 24 cv (17 kW). Vamos usar o que explicamos acima, para calcular alguns dados da sua bateria.

A bateria NiMH do Prius - existe outra bateria de iões de lítio - tem uma capacidade total de 1,3 kW, 201,6 V e 6,5 Ah. Isto significa que o motor elétrico estará usando 17 kW / 201,6 V = 84 A. Portanto, vemos que a bateria do Prius na descarga máxima é de aproximadamente 13C. Se fizermos a regra inversa de três, na descarga máxima, a bateria tem 6,5 Ah * 60 minutos / 84 A = 4,6 minutos.

Agora vamos calcular quantas células tem. Como as células NiMH são de 1,2 V, dividindo 201,6 V / 1,2 V = 168 células em série. Como cada célula prismática do Prius tem 6,5 Ah, vemos que a sua bateria tem 168S, sem células em paralelo.

A tensão de 201,6V é nominal, mas na carga será maior e na descarga será menor. Vamos lá ver. A voltagem de carga de uma célula NiMH é de cerca de 1,5V. Se multiplicarmos pelas 168 células da embalagem, obtemos que o Prius carrega a sua bateria a 252 V. A tensão de descarga de uma célula de NiMH é de cerca de 1V. Portanto, o Prius terá sua bateria completamente descarregada quando atingir 168 V, uma voltagem que nunca alcançará. Lembre-se que o sistema nunca permitirá que ele fique abaixo de 20% de carga (175 V aproximadamente), para que a bateria nos forneça os ciclos prometidos pelo fabricante.

O importante ao fazer um bom design híbrido ou elétrico, é acoplar bem todos os elementos, para que a bateria e o motor elétrico funcionem em conjunto.

Um dos sistemas mais críticos de um híbrido é o controle climático das baterias. Como dissemos anteriormente, é importante mantê-los abaixo de 30 ºC e acima de 20 ºC, para que ofereçam bom desempenho e durabilidade. É por isso que os fabricantes, além do sistema de arrefecimento do motor térmico, possuem um segundo sistema de climatização, apenas para as baterias e o sistema eléctrico (inversor e motor eléctrico). Alguns fabricantes utilizam ventilação por bateria (Toyota Prius) e outros utilizam algo mais elaborado e eficaz, com refrigeração líquida (Tesla Modelo S).

Finalmente, o nosso condutor, a ECU do sistema eléctrico, que deve coordenar tudo em boa harmonia: o BMS, carregador, inversor, conversor, etc. Deve saber a todo o momento a carga da bateria e o programa de condução seleccionado, a fim de decidir quando parar ou ligar o motor térmico ou recuperar energia durante a travagem.

Como você pode ver, um carro híbrido é um sistema bastante complexo, que requer o projeto de sistemas que certamente são novos para a indústria automotiva, com seus rígidos padrões de qualidade.

Híbrido Plug-in

O híbrido plug-in é o mesmo que o veículo híbrido que discutimos na secção anterior, excepto que acrescenta um carregador e baterias de maior capacidade (cerca de 10 vezes superior). Este carregador pode realizar duas funções. Em primeiro lugar, converte a corrente/voltagem alternada da rede doméstica normal (CA) em corrente contínua (CC) com a tensão apropriada para recarregar a bateria quando esta está ligada, supervisionada pela BMS. Se utilizarmos um carregador rápido, ele irá adaptar a corrente/voltagem trifásica, que é mais potente, também à corrente contínua para recarregar a bateria mais rapidamente.

Por outro lado, é possível que um carregador adaptado forneça directamente a Alta Tensão em CC necessária para recarregar a bateria, sem qualquer conversão. Neste caso, o carregador não fará nada, e o BMS ficará encarregado de supervisioná-lo.

Por sua vez, o próprio carregador irá alimentar os sistemas auxiliares necessários para a operação de recarga.

Puro elétrico

Uma vez chegado a este ponto, o que resta é seguir a seguinte receita: pegamos um híbrido plug-in e eliminamos o motor térmico com o seu alternador e o gerador principal. Isto deixa-nos com um carro 100% eléctrico. Fácil, não é? Alguns exemplos: Tesla Modelo S, Nissan Leaf, Renault Zoe, Chevrolet Bolt ou o futuro Audi e-Tron SUV. Para refrescar a sua memória, vamos listar os sistemas que eles têm:

• Bateria auxiliar (12 V)
• Motor elétrico (tração)
• Compressor de Ar Condicionado Elétrico
• Aquecedor auxiliar eléctrico (PTC)
• Direcção assistida eléctrica
• Servos-freio eléctrico (bomba de vácuo ou assistência directa)
• Inversor / Controlador
• BMS
• Conversor bidireccional DC-DC (AT/BT)
• carregador AC/DC
• Bateria de tracção (HV: 300 a 600 V)
• Ar condicionado por bateria de tracção
• gerenciamento elétrico do ECU

Neste caso, na parte do ciclo, podemos ter diferentes variantes, dependendo dos motores de tração disponíveis: carros com um motor, dois motores, três ou quatro motores. Os carros com um único motor passarão a potência para um único eixo, através de alguns redutores / diferenciais, como o Nissan Leaf ou o Renault Zoe.

Aqueles com dois motores podem ter duas variantes: um motor em cada eixo, com engrenagem/diferencial, de modo que teríamos uma tração nas quatro rodas (como a versão Tesla Modelo S D), ou colocar os dois motores no mesmo eixo, um para cada roda, como o Koenigsegg Regera, que embora não seja puramente elétrico, utiliza esta técnica. Neste caso, o inversor/controlador deve realizar uma gestão adicional: o diferencial, gerindo o binário de cada motor eléctrico, dependendo de múltiplos factores, incluindo acelerações laterais e longitudinais e rotação do volante.

Com três motores, é utilizada a configuração de um eixo, com um motor por roda, e no outro eixo um motor com caixa de velocidades/grupo diferencial, como o futuro Audi 100% eléctrico.

E finalmente, quatro motores, um para cada roda. Mecanicamente esta é a opção mais simples, pois não necessita de engrenagem/diferencial, sendo tudo controlado pelo inversor/controlador. Tanto quanto sei, não há nenhum carro de produção deste tipo, embora houvesse alguns protótipos, como o Mercedes SLS AMG Electric Drive.

E se chegaram até aqui sem se aborrecerem, parabéns. Você já sabe (quase) tudo sobre o sistema elétrico de qualquer carro. Quer seja um carro convencional, híbrido ou eléctrico, o mais importante é que nos faz gostar de o conduzir. É por isso que somos pistonudos.