Nesse último artigo da série sobre aplicações da bateria de lítio, vamos falar sobre os veículos elétricos e híbridos. Esses veículos estão cada vez mais comuns e vieram para substituir os veículos convencionais. Os veículos convencionais operam através de motores à combustão interna (MCI), utilizando combustíveis fósseis e emitindo gases como o dióxido de carbono, hidrocarbonetos, monóxido de carbono, etc. Uma das soluções encontradas para a diminuição da emissão desses gases oriundos dos automóveis é a utilização de outras fontes de energia para a propulsão dos veículos.
O veículo elétrico tem ganhado muita atenção nas últimas décadas como uma solução promissora para a diminuição da poluição atmosférica. Ele utiliza um ou mais motores elétricos para a sua propulsão, o qual recebe a energia elétrica armazenada na bateria. A bateria pode ser carregada através da rede elétrica convencional ou através de outras fontes de energia, como células fotovoltaicas. Porém, um dos maiores problemas dos veículos elétricos, é a sua autonomia.
Para que o veículo elétrico realmente substitua os veículos convencionais, sua autonomia deve ser similar à autonomia de um tanque de gasolina e seu tempo de recarga deve ser similar ao tempo de abastecimento de combustível. Esses são desafios ainda não superados, mas que em minha opinião, é só uma questão de tempo. Enquanto isso não ocorre, uma alternativa para melhorar a autonomia dos veículos elétricos é a utilização de mais de uma fonte de energia no mesmo veículo, que é o caso de veículos híbridos, onde pelo menos uma de suas fontes de energia deve fornecer, armazenar ou converter energia elétrica. Dessa forma, os veículos híbridos podem possuir baterias, supercapacitores (ultracapacitores), célula combustível, células fotovoltaicas, motores à combustão interna, etc.
Existem três tipos de topologia para os veículos híbridos:
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- Série;
- Paralelo;
- Série/paralelo.
Veículo híbrido série
O veículo híbrido série é o mais simples, onde somente o motor elétrico fornece toda a propulsão do veículo, e o motor de combustão interna somente aciona um gerador para carregar a bateria. Nesse caso, o sistema de propulsão é o mesmo do que nos veículos elétricos. O diagrama da Figura 1 mostra a configuração do veículo híbrido série.
Nesse caso, como a operação do motor de combustão interna é independente da velocidade do veículo e das condições de tráfego, ele pode operar próximo da sua condição ótima em quase todo o tempo. E uma desvantagem dessa configuração é que a eficiência do motor elétrico irá reduzir a eficiência geral de tração do veículo.
Veículo híbrido paralelo
O veículo híbrido paralelo possui mais do que uma fonte de energia para a propulsão do veículo. Nesse caso, o mais comum é utilizar o motor de combustão interna e o motor elétrico com um acoplamento mecânico capaz de unir o torque proveniente das duas fontes. A energia percorre dois caminhos diferentes, o caminho mecânico e o caminho elétrico, e cada caminho realiza a propulsão do veículo individualmente ou simultaneamente, a Figura 2 mostra a configuração do veículo híbrido paralelo. Nessa configuração, o motor elétrico pode ser utilizado para auxiliar na tração do veículo ou como gerador para gerar energia para bateria.
Os requisitos de potência do motor elétrico nesse caso, é menor do que no híbrido série, porque o motor de combustão interna complementa a potência necessária para o veículo. A propulsão pode ser realizada somente pelo motor de combustão interna ou pelos dois motores juntos. Inicialmente, os veículos híbridos eram somente série ou paralelo, porém, os fabricantes perceberam as vantagens da combinação das duas topologias. Os veículos que utilizam a combinação dessas duas topologias, são chamados híbridos série/paralelo.
Veículo híbrido série/paralelo
Nessa combinação, o inversor é utilizado para carregar a bateria através do gerador acionado pelo motor de combustão interna ou é utilizado para fornecer energia para o motor elétrico. O Toyota Prius é um exemplo dessa topologia, onde uma engrenagem planetária é utilizada para conectar o sistema em série ao sistema paralelo. A engrenagem planetária garante que a bateria possa ser carregada em períodos de espera prolongados, como em trânsito ou semáforos. O diagrama da Figura 3 mostra a configuração do veículo híbrido série/paralelo.
A engrenagem planetária contém três engrenagens diferentes: a engrenagem solar, que é a engrenagem central; as engrenagens satélites, que giram em torno da engrenagem solar; e a engrenagem anelar, responsável pelo acoplamento ao eixo de transmissão. A Figura 4 mostra a engrenagem planetária e suas respectivas engrenagens.
Nessa topologia, a engrenagem planetária atua como um sistema de divisão de energia que permite alocar a energia do motor de combustão interna para as rodas dianteiras através do eixo de transmissão e do gerador elétrico, dependendo da condição de operação do veículo. E toda essa “transição” de energia não é nem reconhecida pelo condutor do veículo, tudo é realizado automaticamente.
Atualmente existem diversos projetos de veículos híbridos, cada montadora escolhe um caminho diferente em detrimento de parâmetros que cada uma julga ser mais relevante. Entender sobre essas topologias é essencial para compreender essa nova tecnologia que aos poucos estão tomando conta de nossas ruas.
É comum pensar que a tecnologia dos veículos híbridos e elétricos é recente, porém, essa tecnologia não é uma inovação tecnológica. Há avanços atuais, como as baterias de lítio íon e toda a tecnologia presente nos veículos modernos, porém, a essência do veículo híbrido e elétrico é antiga. No próximo artigo, contarei um pouco sobre a história do veículo elétrico e já darei um spoiler: o veículo elétrico foi inventado antes do veículo à combustão. Aguardem cenas dos próximos capítulos…
Referências
HUSAIN, I. Electric and Hybrid Vehicles, Design Fundamentals. CRC Press, Boca Raton London New York Washington, D.C. 388p. 2010.
LIU, J. et al., Modeling and Control of a Power-Split Hybrid Vehicle. IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 16, Nº 6, p. 1242-1251. Novembro 2008.
