Introdução aos Veículos Híbridos: conceito e funcionamento Parte 1 - Evolução Histórica

No final do século 19, muitos dos automóveis que andavam pelas ruas e estradas eram totalmente elétricos. Tinham baterias para os acessórios e um motor elétrico que os movimentava. Um veículo totalmente elétrico era satisfatório para aqueles dias, porém as pessoas queriam viajar longas distâncias e os veículos elétricos não conseguiam atender a esta necessidade.

Mais ou menos no mesmo tempo em que os veículos totalmente elétricos dominavam as ruas um novo tipo de veículo estava tentando se firmar entre os consumidores, o automóvel movido por um motor de combustão interna (MCI ou ICE). Estes novos automóveis movidos por um motor MCI podiam se deslocar mais longe que os veículos elétricos que eles tentavam substituir, porém tinham muito menos potência e a gasolina era muito mais difícil de se obter nos anos 1900 que a eletricidade.

Assim, em 1905 um engenheito americano (H.Piper) solicitou a primeira patente dos Estados Unidos para um projeto de veículo elétrico híbrido. A idéia dele era juntar um potente motor elétrico com um pequeno motor movido a gasolina (ICE). Pela combinação dos dois sistemas ele esperava conseguir a autonomia aumentada que o motor de combustão interna ICE tinha a oferecer e o desempenho fornecido pelo motor elétrico. Quando esta patente foi concedida, alguns anos mais tarde, os motores de combustão interna já eram muito mais potentes e a gasolina já era mais fácil de se obter, tornando assim os veículos híbridos virtualmente obsoletos. Os veículos totalmente elétricos e os veículos elétricos híbridos continuaram a percorrer as estradas da América por muitos anos mais, porém na metade dos anos 1920 o número de veículos elétricos e híbridos nas estradas foi ultrapassado centenas de vezes pelos veículos cada vez mais potentes, equipados com motores de combustão interna ICE.

Desde 1920 até hoje, os veículos ICE dominaram a indústria dos transportes. Nos anos 1980, controles para motores elétricos de alta potência e alta rotação foram desenvolvidos. Estes transístores de alta potência de comutação (chamados de IGBT) tornaram possível o desenvolvimento moderno de veículos movidos a energia elétrica.

A General Motors foi a primeira de várias empresas que desenvolveram veículos totalmente elétricos, tentando criar um meio de locomoção o mais limpo possível, bem como o mais eficiente em matéria de consumo de combustível. Em 1996 a GM comercializou o EV1, carro totalmente elétrico e a Pick Up S10 totalmente elétrica. Embora fossem considerados na ocasião os veículos elétricos mais avançados do mercado, ainda tinham as limitações que todos os veículos elétricos têm, ou seja:

• Autonomia limitada devido à pouca capacidade de armazenamento de carga de sua bateria.

• Devem ser recarregados por algumas horas após cada viagem.

• São mais adequados para veículos leves e trânsito na cidade somente.

Por volta desta mesma ocasião, enquanto desenvolvia o EV1 e a S10, veículos totalmente elétricos, a GM continuou pesquisando e desenvolvendo sistemas híbridos elétricos para os veículos. Embora a intenção destes modernos projetos de veículos não seja a mesma que a visão do engenheiro Piper, o conceito é similar ... usar algumas das melhores qualidades do veículo totalmente elétrico e manter a autonomia e desempenho esperado de um veículo movido a motor de combustão interna moderno.

Antes de aprendermos sobre veículos híbridos elétricos, vamos rever como um veículo não híbrido é projetado.

O motor, transmissão e eixo traseiro do veículo não híbrido são todos projetados para executar uma função, girando as rodas do veículo. A simples tarefa de girar as rodas do veículo exigem muitos projetos complexos, todos agindo em harmonia, para mover o veículo pela estrada.

O Motor de Combustão Interna (ICE) deve converter a energia térmica do combustível em movimento retilíneo alternado dos pistões. O movimento dos pistões, por sua vez, é convertido em movimento rotacional pelo virabrequim. O movimento rotacional do virabrequim então é conectado à transmissão.

A transmissão deve utilizar a relativamente estreita faixa operacional do motor (500 a 5000 RPM) e transformar esta faixa estreita em uma faixa bem maior de velocidade do veículo, de cerca de 0 a 160 KM/H. A transmissão realiza esta tarefa utilizando engrenagens. Sem o conjunto de engrenagens, o veículo teria um potencial muito limitado de velocidade e problemas de dirigibilidade.

A saída da transmissão é conectada ao diferencial do eixo traseiro. O diferencial fornece um conjunto final de engrenagens para todo o sistema de transmissão. Ele também transforma a rotação do eixo de saída da transmissão de um eixo somente para dois ou mais eixos das rodas de tração.

PROJETOS DE VEÍCULOS HÍBRIDOS ELÉTRICOS
As primeiras tentativas de descrever os veículos híbridos elétricos (HEV) utilizava termos simples como SÉRIE e PARALELO. Estes dois termos geralmente descrevem o fluxo de força da energia através do trem de força do veículo até o eixo de saída.

Hoje em dia novos termos são necessários para diferenciar os projetos modernos diferentes entre si, pois eles cresceram em complexidade. O termo DIVISÃO DE FORÇA é utilizado para descrever projetos HEV nos quais a saída de força de um motor elétrico e um motor ICE são mixados, tipicamente em ou dentro de uma transmissão. DIVISÃO DE FORÇA é também definido adicionalmente como ENTRADA DIVIDIDA, SAÍDA DIVIDIDA ou DIVISÃO COMPOSTA.

Nos projetos de FORÇA DIVIDIDA, a rotação do motor elétrico determina típicamente a relação de saída. Este tipo de transmissão é referida comumente como uma Transmissão Eletronicamente Variável (EVT).

A Divisão Composta detalha um projeto no qual uma divisão de força ocorre tanto na entrada quanto na saída da transmissão.

Como se não houvessem bastante maneiras de definir um HEV (Veículos Híbridos Elétricos), os termos MODO UM e MODO DOIS também foram aplicados ao estilo híbrido de força dividida. O híbrido MODO UM é definido como tendo uma relação de marcha continuamente variável simples dentro da transmissão. O híbrido MODO DOIS é difinido como tendo duas relações de marchas continuamente variáveis na transmissão. A palavra “MODO” é adicionalmente aplicada como MODO TRÊS, MODO QUATRO, etc. Contudo, qualquer eficiência obtida em modos maiores que dois são geralmente prejudicados pelo aumento da massa e complexidade mecânica dos equipamentos.

TIPOS DE VEÍCULOS HÍBRIDOS PRODUZIDOS PELA INDúSTRIA
HÍBRIDOS EM SÉRIE - Em um veículo híbrido em SÉRIE, o motor de combustão interna é conectado somente a um gerador. Somente o motor elétrico na verdade movimenta o veículo, seja por meio de uma transmissão ou diretamente sobre as rodas de tração. O motor elétrico em um híbrido de montagem em SÉRIE é muito potente e pesado devido a ele sozinho movimentar o veículo. Devido aos requisitos de massa dos sistemas híbridos em SÉRIE, muitas aplicações foram limitadas a veículos maiores. Ônibus, submarinos não nucleares e mesmo locomotivas diesel elétricas são exemplos de plataformas híbridas em SÉRIE.

HÍBRIDOS EM PARALELO - Os projetos híbridos em paralelo misturam a saída de energia de um motor elétrico/gerador junto com a saída de um motor de combustão interna. Em contraste com o sistema SÉRIE a arquitetura híbrida em PARALELO conecta o motor de combustão interna (ICE) ao eixo de saída. Pela variação da potência do motor elétrico e a capacidade da energia elétrica armazenada, o veículo híbrido PARALELO pode ser projetado também para permitir propulsão elétrica somente.

A tecnologia híbrida em PARALELO varia em virtude do ponto de conexão do motor elétrico/gerador ao trem de força do veículo.

A GM desenvolveu dois tipos de tecnologia de veículos híbridos em PARALELO:

• Tecnologia volante alternador/motor de arranque:

- Utilizada na Chevrolet Silverado e GMC Sierra, picapes de cabine estendida.

- Motor/Gerador montado entre o motor e a transmissão.

-  Motor de indução de Corrente alternada (AC) com o estator fixado ao redor do conversor de torque da transmissão e rotor fixado ao virabrequim do motor de combustão interna (ICE)

- Dimensionado para ocupar o mesmo espaço de um conjunto motor/transmissão convencional, não híbrido.

- Caixa de Armazenagem de Energia (CAE) instalada sob o assento traseiro contendo baterias híbridas.

- Primeiro veículo híbrido produzido para venda ao público pela GM na América do Norte.

-  Outros eventos notáveis:

• Primeira picape full size HEV (Veículo Híbrido Elétrico).

• Primeiro veículo HEV de um fabricante americano.

• Primeiro veículo americano com baterias de 42 Volts.

• Tecnologia alternador/motor de partida por correia.

- Utilizada em veículos menores tais como o Saturn Vue e Chevrolet Malibu.

-  Motor/Gerador montado com motor de combustão interna e movido por correia de acessórios.

- Convencional em aparência ao gerador de 14V tradicional.

-  Fornece ao veículo funcionalidade totalmente híbrida.

-  Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) instalada atrás do assento traseiro contendo baterias híbridas.

HÍBRIDOS DE FORÇA DIVIDIDA - As transmissões híbridas de força dividida incorporam ambos os conceitos de híbridos em série e híbridos em paralelo, no caminho da força. Por dividir a força do motor de combustão interna  e o motor elétrico através de um conjunto de engrenagens, o sistema de FORÇA DIVIDIDA de MODO UM também possui uma transmissão simples continuamente variável para seu deslocamento.

As transmissões de força dividida combinam o movimento da força em série e em paralelo.

Através do uso de embreagens e conjuntos de engrenagens planetárias, as transmissões híbridas de MODO DOIS podem operar tanto dividindo a ENTRADA a força como na DIVISÃO  da força composta. Isto permite que a transmissão híbrida de MODO DOIS opere com duas faixas de transmissão continuamente variável.

Duas relações de marcha permitem que as transmissões que operam no sistema de MODO DOIS tenham uma eficiência bem maior que a transmissão de MODO UM de divisão da força. A transmissão híbrida de MODO DOIS pode ser projetada com motores menores e menos requisitos de alimentação de energia.

SISTEMA HÍBRIDO DE MODO DOIS - As montadoras em geral tem desenvolvido duas versões de transmissões híbridas de MODO DOIS:

• Veículos para serviço pesado.
- Desenvolvido para indústria de transportes pesados.

- Permite a utilização de motores diesel de menor cilindrada.

- Motores menores de combustão interna são mais eficientes e mais limpos ecologicamente.

- Motores menores auxiliam na distribuição de peso dos componentes híbridos.

- Dois motores/geradores localizados dentro da transmissão híbrida.

• Motores de indução por corrente alternada (CA).
- Motores elétricos permitem aceleração bem maior de um veículo híbrido de modo DOIS, do que os mesmos veículos equipados somente com motores diesel ou a gasolina mais pesados.

- A aceleração a partir da imobilidade dos motores elétricos permite um deslocamento mais silencioso e com muito menos emissões que seu similar a combustão interna.

-  A Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) localizada sob o piso do veículo pesado ou no teto do veículo contém baterias híbridas.

VEÍCULOS LEVES
• Sistema de modo DOIS para veículos leves.

• Desenvolvido para o mercado de veículos de passageiros.

• Permite a utilização de um projeto mais eficiente de motores de combustão interna (ICE) e outros dispositivos para controle de emissões.

• Dois motores/geradores localizados dentro da transmissão híbrida.

- Motores de corrente alternada (CA) de ímã permanente.

- A aceleração a partir da imobilidade dos motores elétricos permite um deslocamento mais silencioso e com muito menos emissões que seu similar a combustão interna.

-  Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) instalada dentro do compartimento de passageiros contém as baterias híbridas.