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Eletrificação/Hibridação - A era dos veículos movidos por novas fontes de energia

Aplicada em veículos leves e pesados, esta tecnologia busca atingir a libertação da fonte de energia de combustíveis fósseis que além de poluir o meio ambiente, é uma fonte que está se esgotando

Por Humberto Manavella

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 kms.

 Densidade de energia. Corresponde à energia (W) que pode fornecer por hora de funcíonamento 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.

Figura 1

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 kms. Já um veículo a gasolina é totalmente reabastecido em menos de 5 minutos para uma autonomia de 400 kms, 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 (fig.1). 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” (fig.2). É aquele veículo híbrido elétrico cuja bateria pode ser carregada, também, através de fonte externa ao veículo.

Figura 2

3. Veículo elétrico puro (fig.3). É aquele cuja única fonte de energia é uma bateria que deve ser carregada, obrigatoriamente, através de fonte externa ao veículo.

Figura 3

4. Veículo elétrico de faixa estendida (fig.4). 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.

Figura 4

Nota:  Uma outra opção a ser adicionada às descritas acima, é a oferecida pelo híbrido Toyota Crown 3.5/V6, com a qual 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 a 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 + 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-híbrido. 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.

 

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