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Técnicas - Carlos Napoletano Neto - suporte@apttabrasil.com

Introdução aos Veículos Híbridos: conceito e funcionamento Parte 3 - Teoria do motor básico

Motores e geradores utilizam eletricidade para desenvolver magnetismo e desta maneira funcionarem. Eles utilizam um componente rotativo chamado de ROTOR e um componente fixo chamado de ESTATOR. Acompanhe a sequência da matéria

Quando uma corrente elétrica é fornecida aos enrolamentos do ESTATOR, um campo magnético é criado. O campo magnético do ESTATOR reage com o campo magnético que é criado no ROTOR. A interação magnética entre os dois campos faz com que o ROTOR gire à medida que o campo magnético atrai e repele um ao outro. De maneira inversa, se girarmos um ROTOR magnetizado com força mecânica, uma corrente elétrica será criada no ESTATOR e geraremos eletricidade.

Os fabricantes de veículo híbridos em geral utilizam os seguintes tipos de Motor/gerador: Indução, Anel deslizante e Ímã Permanente

TIPOS DE MOTOR ELÉTRICO/GERADOR
Indução - Indução se refere ao processo de criar corrente elétrica de um objeto para outro pelo uso de ondas magnéticas. Quando a corrente elétrica passa através de um objeto de metal, tal como uma bobina de fios ou polos de um rotor, um campo magnético é criado. Se outro objeto de metal está perto o bastante do campo magnético, uma corrente elétrica será criada (ou induzida) neste objeto mesmo que os dois objetos nãos estejam fisicamente conectados. No motor elétrico/Gerador um campo eletromagnético é induzido nas barras do rotor pelos enrolamentos no estator (motor) ou pelo campo induzido no estator pelas barras do rotor.

Anel Deslizante - Um projeto de anel deslizante gera magnetismo no rotor pela transferência de eletricidade através das bobinas (enrolamentos). Para conectar mecanicamente cada extremidade dos enrolamentos do rotor, são utilizados anéis deslizantes e escovas. As escovas, sob tensão de mola, feitas de carvão, conduzem eletricidade de/para os anéis deslizantes e transferem a energia elétrica enquanto permitem que o rotor gire livremente. Os polos magnéticos do rotor são adicionados ao projeto do anel deslizante para aumentar a eficiência.


Ímã Permanente - O rotor em um projeto de ímã permanente possui ímãs permanentes de grande potência embutidos dentro do rotor. Ao invés de induzir ou conduzir corrente elétrica no rotor para criar um campo magnético, os ímãs permanentes no rotor estão criando constantemente o campo magnético necessário. Embora seja mais leve e mais eficiente que o motor de indução ou o de anel deslizante, o projeto de ímãs permanentes são mais caros e possuem um circuito de controle mais complicado.






TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA
O sistema de controle híbrido deve transferir eletricidade em várias formas e níveis.

CA/CC/CA - Um módulo inversor desempenha a tarefa de transferir a energia elétrica de AC para CC e vice-versa a partir de uma voltagem AC trifásica. O módulo inversor é comumente chamado de Módulo Inversor de Potência (MIP). Outros nomes pode ser:

• Módulo Inversor de Potência Duplo (DPIM);

• Módulo de Controle de Partida e Gerador (SGCM);

• Baia Eletrônica de Potência (PEB);

• Módulo Inversor de Potência de Tração (TPIM).

CC/CC - A função do conversor CC/CC é transferir energia eletrica entre a Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) e o sistema de bateria de acessórios com 12 Volts.

O módulo conversor é comumente chamado de Módulo de Potência dos Acessórios (APM). Outras funções do APM podem ser:

• Fornecer voltagem contínua às unidades de direção elétrica do veículo.

• Fornecer voltagem contínua às unidades compressoras de ar-condicionado.

• Permitir que o sistema de carga de 12 Volts recarregue a CAE de alta voltagem durante os serviços chamados de assistência periódica (jump assists).

• Converter a alta tensão CC proveniente da CAE em 120 Volts AC nos veículos híbridos,que utilizam uma saída de voltagem de potência. 

Em alguns projetos híbridos as funções do PIM e do APM são combinadas em um só módulo.

O veículo híbrido de transporte mantém um gerador tradicional instalado num motor de combustão interna e não utiliza um módulo APM.



CONTROLE HÍBRIDO
A operação de um veículo híbrido inclui uma interação bem complexa de muitos módulos, sensores, motores e dispositivos. Estratégias de software únicas e complexas são utilizadas para que a transição entre os vários modos de operação do veículo ocorra de maneira suave. Adicionalmente aos módulos de controle que são encontrados normalmente em um veículo moderno, novos módulos são necessários para a operação da seção elétrica do veículo híbrido.

O Módulo de Controle Híbrido (HCM) é tipicamente o principal controlador da operação híbrida do veículo. O HCM determina quando executar o desligamento do motor (Auto Stop), suavização do torque e outros aspectos da operação híbrida. As funções do HCM poderão ser confinadas em um módulo só ou integradas em outros controladores tais como o Módulo Inversor de Potência (PIM).

Sinais de Entrada Tipicos Híbridos - O sistema de controle híbrido monitora muitos sensores e sinais de entrada. A lista seguinte mostra alguns destes sinais de entrada e suas funções. Nem todos os projetos híbridos utilizam cada um destes sinais.

Estado de acionamento do AirBag - Quando um airbag é acionado, o sistema de controle híbrido pode solicitar a abertura do dispositivo de desligamento automático da bateria, reduzindo o risco potencial de choques elétricos de alta tensão.

Corrente, voltagem e temperatura da bateria - As baterias híbridas dentro da Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) são monitoradas de perto quanto ao fluxo de corrente, voltagem e temperatura. O sistema de controle híbrido ajusta a taxa de carga e descarga e também registra os códigos de falha baseados nestes sinais de entrada.


CONFIGURAÇÃO TÍPICA DE UM VEÍCULO COM CONTROLE HÍBRIDO
Vácuo do Servofreio - O nível de vácuo do conjunto do servofreio é monitorado em alguns veículos híbridos durante o modo de desligamento híbrido do motor (Auto Stop). Se o vácuo do servofreio diminuir abaixo de um certo valor calibrado, o modo de desligamento híbrido do motor é cancelado e o motor de combustão interna é religado a fim de abastecer o servofreio.

Curso do Pedal do freio - O curso do pedal do freio é monitorado em alguns veículos híbridos durante a frenagem regenerativa. O sistema de controle híbrido pode misturar a quantidade de frenagem tradicional com a frenagem regenerativa baseado no esforço que o motorista aplica ao pedal do freio.

Estado de abertura do capuz do motor - O estado do capuz é monitorado para se certificar que o motor de combustão interna não funcione de maneira imprevista ou desligue enquanto um serviço no compartimento do motor está sendo executado. Se o veículo estiver no modo Auto Stop enquanto o capuz do motor está aberto, o motor a combustão interna não funcionará. Se o motor de combustão interna já estiver funcionando quando o capuz for aberto, o motor não entrará no modo de desligamento automático (Auto Stop).

Condição de interligação dos módulos de alta voltagem (HVIL) - O sistema de interligação dos módulos de alta voltagem monitora o estado das conexões dos módulos híbridos que contém alta voltagem.

Quando o circuito HVIL está aberto, o sistema de controle híbrido solicita a abertura do dispositivo automático de desconexão da bateria, reduzindo o risco potencial de um choque elétrico.

Estado de detecção de falha de isolação - Um módulo de controle no veículo híbrido sempre monitora o potencial elétrico entre a tensão da bateria da Caixa de Armazenamento de Energia e o chassi do veículo. Em uma eventual falha de isolação, o módulo de controle híbrido pode solicitar a abertura do dispositivo de conexão automática da bateria, reduzindo o risco potencial de um choque elétrico.

Temperatura do Motor, direção e velocidade - O motor elétrico/gerador é monitorado quanto à temperatura, direção e velocidade. O sistema de controle híbrido fará ajustes no sistema e também registrará um código de falha baseado nestes sinais de entrada. Todos estes sinais podem ser combinados em um só sensor chamado de solucionador.




Temperatura do Módulo Inversor de Potência (PIM) - O sinal de temperatura do módulo Inversor de Potência (PIM) é controlado de perto. O sistema de controle híbrido ligará a bomba de resfriamento do PIM e pode ajustar a energia de saída do sistema quando a temperatura do PIM exceder um nível pré-calibrado. Adicionalmente, alguns códigos de falha poderão ser registrados com base neste sinal.

SAÍDAS HÍBRIDAS TÍPICAS
O sistema de controle híbrido controla várias saídas. A lista seguinte mostra algumas destas saídas e suas funções. Nem todos os projetos híbridos utilizam cada saída listada.

Bomba de Resfriamento do Módulo Inversor de Potência - O MIP gera calor como resultado do controle de saída de potência. Alguns projetos híbridos utiliza um sistema de resfriamento separado para o PIM. Uma bomba de resfriamento auxiliar é utiliza para fazer circular líquido refrigerante entre o PIM e o radiador do PIM. O sistema de controle híbrido controla a saída da bomba de resfriamento do MIP baseado no sinal do sensor de temperatura do inversor de potência.

Bomba auxiliar de resfriamento do aquecedor - quando um veículo híbrido opera no modo de motor híbrido OFF (Auto Stop), o líquido refrigerante não circula através do sistema de aquecimento da cabina pela bomba d’água do motor de combustão interna. O sistema de controle híbrido ativará uma bomba auxiliar de aquecimento para fazer circular o líquido refrigerante do motor através do sistema de aquecimento da cabine quando operando no modo AUTO STOP.

Módulo de Desconexão da Bateria (BDM) - O MDB opera o circuito de alta voltagem das baterias híbridas dentro da Caixa de Armazenamento de Energia (CAE). Quando quaisquer das seguintes condições forem detectadas o sistema de controle híbrido requisita o desligamento das baterias de alta voltagem através do BDM:

• Acionamento do AirBag;

• Falha de isolação detectada; 

• Circuito aberto do sistema de interação de alta voltagem;

• Algum código de falha detectado pelo sistema;

• Desconexão do circuito manualmente;

• Ignição desligada.


Resfriador da bateria -
A Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) contém um ventilador e tubulação que direciona o ar da cabina através da CAE para manter as baterias híbridas a uma temperatura correta. O sistema de controle híbrido solicitará que o ventilador da bateria seja ligado quando as baterias híbridas excederem uma determinada temperatura.


SEGURANÇA DO SISTEMA HÍBRIDO
Os veículos híbridos em geral possuem muitas características de projeto e sistemas que ajudam a garantir a operação segura e o serviço do veículo.

Segurança quanto à alta voltagem - Todos os veículos à venda devem atingir certos requisitos mínimos de segurança. O sistema elétrico de alta voltagem é um dos sistema que seguem normas rígidas de segurança. Num esforço para definir estas normas, alguns elementos de risco de altas tensões foram desenvolvidos por vários grupos técnicos. Vários estudos e relatórios foram publicados com respeito ao contato humano em vários níveis de tensão elétrica e o potencial de ferimentos e de mortes. O limite de voltagem que é considerado geralmente perigoso ao contato humano é de cerca de 60 Volts CC (30 vrms AC). Assim sendo, a fim de se ajustar aos padrões da indústria, os fabricantes definem qualquer voltagem igual ou maior que 60 Volts CC com alta tensão e precauções especiais e dispositivos de segurança são necessários dentro do veículo. Os dispositivos de segurança de alta tensão incluem, mas não são limitados a:

• Dispositivos de desconexão das baterias;

• Detecção de falha de isolação;

• Proteção da interação dos módulos do circuito de alta tensão;

• Dispositivo de desconexão manual;

• Condutores de cor única para identificação dos níveis de voltagem.

Adicionalmente aos padrões de alta tensão, os fabricantes definiram a tensão igual ou maior que 30 Volts CC (15 vrms AC) como voltagem Intermediária. Também se inclui identificação visual destes níveis de voltagem utilizando-se cores específicas. O conduite de coloração azul médio indica Voltagem Intermediária e o conduite de coloração laranja indica Alta Voltagem (cor dos cabos). Estas cores ajudam a identificar Tensões Altas e Intermediárias dos fios que conduzem 12 Volts.


Desconexão da Voltagem das Baterias Híbridas - Os veículos híbridos utilizam dispositivos de desconexão que abrirão o circuito da voltagem das baterias híbridas dentro da Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) e isolam a tensão das baterias híbridas do resto do veículo. Estes dispositivos de desconexão podem ser controlados automaticamente por um módulo de controle ou manualmente controlados por interação humana.

Desconexão automática da Voltagem das Baterias Híbridas - O módulo de desconexão das baterias (MDB) é controlado eletronicamente e localizado dentro da Caixa de Armazenamento de Energia. O MDB é necessário para limitação de exposição da alta voltagem potencial/alta corrente dos circuitos híbridos durante certos eventos. Estes eventos incluem:

• Acionamento do AirBag;

• Detecção de uma falha de isolação;

• Quando o circuito de interação dos módulos de alta tensão é aberto;

• Um módulo de controle detectou uma falha do sistema e registrou um código de falha correspondente;

• Um interruptor de desconexão manual foi aberto por um técnico de serviço.

Desconexão manual da voltagem das baterias híbridas - O dispositivo manual de desconexão das baterias está localizado normalmente na parte externa da Caixa de Armazenamento de energia (CAE). O interruptor manual de desconexão pode ser aberto na eventualidade do veículo ser estacionado em um local para longa permanência (Mais de 30 dias) a fim de limitar a quantidade de descarga das baterias híbridas que poderão ocorrer. A desconexão manual também pode ser realizada antes de se executar certos procedimentos de serviço. Em todos os veículos de passageiros contendo dispositivos de alta voltagem (igual ou maior que 60 Volts CC) a desconexão manual é projetada de maneira a que parte do interruptor possa ser removida ou travada na posição aberta durante o serviço no veículo. Durante o serviço, o técnico deverá manter a peça de contato do interruptor consigo para se certificar que voltagem da Caixa de Armazenamento de Energia não será energizada sem o conhecimento do operador. Na indústria de materiais elétricos, esta funcionalidade da chave de desconexão é chamada de dispositivo externo de travamento (lock out).



Em algumas aplicações de voltagens intermediárias, o dispositivo de desconexão manual pode ser projetado na própria tampa de cobertura do cabo da Caixa de Armazenamento de Energia. A remoção da tampa para acessar os cabos positivos e negativos faz com que o interruptor se abra, sinalizando para o Módulo de Desconexão da Bateria (BDM) para isolar a voltagem das baterias híbridas e confiná-la dentro da CAE.

Embora os dispositivos de desconexão isolem a voltagem das baterias híbridas do resto do veículo, alguns módulos e os cabos conectados a elas podem ainda conter alta voltagem devido à capacitância interna do módulo de controle. Durante a desconexão das baterias, estes capacitores são comandados tipicamente para drenar a energia armazenada pelo respectivo módulo de controle. Contudo, este dreno de energia pode demorar vários minutos. Cabos de alta voltagem, conectores e módulos devem sempre serem testados quanto à voltagem com um medidor próprio antes de qualquer serviço no veículo. Sempre assuma que um componente de alta tensão está energizado.


• Sempre teste os cabos de alta voltagem, conectores e módulos antes de qualquer serviço no sistema.

Detecção de falha de isolação - Um módulo de controle de um veículo híbrido sempre monitora o potencial elétrico entre os componentes do sistema de alta voltagem e o chassi do veículo. Na eventualidade que uma alta voltagem seja detectada no chassi do veículo o módulo de controle pode requisitar a abertura do dispositivo de desconexão da bateria, reduzindo o risco potencial de um choque elétrico. Pessoal autorizado e treinado deverá então utilizar testadores especiais para verificação da integridade dos cabos de alta tensão e seus componentes e determinar a localização do componente em curto.

Interação dos módulos de controle de alta tensão (HVIL) - Os veículos híbridos com sistema de alta voltagem são projetados com um circuito de interação entre módulos. Este circuito interlock ou de interação é normalmente um pequeno fio ligado a um medidor e que passa através dos mesmos componentes e módulos que os cabos de alta voltagem. Na eventualidade que um componente de alta voltagem apresente defeito, o sistema de interação também abrirá, sinalizando ao módulo de controle que o circuito de alta voltagem está acessível e que existe um risco de choque elétrico. A abertura do circuito de interação vai disparar ao módulo de controle que solicite a abertura do dispositivo de desconexão da bateria, reduzindo o potencial de risco de choque elétrico.


Precauções durante o serviço de alta e/ou intermediária voltagem - O serviço em um veículo híbrido que contém componentes de voltagem intermediária ou alta necessita de precauções especiais e conhecimento do sistema. É necessário que o técnico complete seu treinamento antes de trabalhar em um veículo híbrido para evitar acidentes.

O potencial de um dano aos componentes do sistema ou ferimentos pessoais aumenta junto com o nível de tensões do veículo. Ao se trabalhar em um circuito de 42 Volts, o risco de danos é 50 a 100 vezes mais alto do que se trabalhar em um circuito de 14 Volts, devido ao arco elétrico. O arco elétrico gerado por um sistema de 42 Volts pode atingir temperaturas próximas de 980 graus celsius. Uma tarefa que parece muito simples em certas circunstâncias pode ser perigosa se executada sem o conhecimento ou procedimento corretos.

Como exemplo, os fusíveis de um circuito de 14 Volts e de um circuito de 42 volts podem parecer idênticos e serem intercambiáveis fisicamente porém um fusível do circuito de 14 Volts NÃO PROTEGERÁ um sistema de 42 Volts. O fusível de 14 Volts não possui “espaço” suficiente entre os terminais do elemento fusível. Se um fusível de 14 Volts for instalado em um circuito de 42 Volts e uma situação de sobrecarga ocorrer, o fusível de 14 Volts poderá permitir que a tensão de 42 Volts gere um arco através de seus terminais e o circuito poderá permanecer energizado mesmo com o elemento fusível completamente aberto.

Uma outra preocupação é o arco gerado pela desconexão de algum componente de circuitos de tensão intermediária e alta tensão. O dano ao componente é provável e ferimentos pessoais são possíveis se um terminal for deconectado enquanto tensão e corrente estiverem presentes. Procedimentos recomendados de desconexão manual e/ou de desconexão de equipamentos de alta tensão devem ser seguidos à risca antes de executar qualquer serviço no ou próximo ao sistema de alta tensão ou tensão intermediária.




ENGRENAGENS PLANETÁRIAS
As engrenagens são consideradas os músculos de qualquer transmissão automotiva, seja ela automática ou manual. As engrenagens são utilizadas para transferir torque e potência e dão ao veículo condições de mudar sua velocidade e força, bem como a direção do mesmo. O torque é descrito como a força de torção ou de giro aplicada em um determinado eixo.

Engrenagem solar - A engrenagem solar está localizada no centro do conjunto de engrenagens. As outras engrenagens do conjunto giram ao seu redor. Ela possui este nome por sua semelhança com o centro do sistema solar.

Pinhões do carregador planetário - As engrenagens tipo pinhões são montadas em um carregador e giram ao redor da engrenagem solar, similar aos planetas que orbitam ao redor do sol, em nosso sistema solar. Este conjunto é conhecido como conjunto carregador planetário. Os pinhões do carregador planetário estão permanentemente engrenados tanto com a engrenagem solar como com a engrenagem anelar.


Engrenagem anelar -
Uma engrenagem em formato de anel, ou anelar, possuindo dentes internos, fecha o conjunto planetário. Ela está em constante engrenamento com os pinhões do conjunto carregador planetário.

Conjunto de engrenagens planetárias - O conjunto consiste de uma engrenagem solar, carregador planetário com seus respectivos pinhões e uma engrenagem anelar. Devido ao fato das engrenagens estarem constantemente em contato entre si, quando uma engrenagem está sendo movida, ou travada, as outras engrenagens também são afetadas.

O conjunto planetário está montado de tal forma que apresenta três distintas características. Primeiro, ele fornece tanto força quanto eficiência. Com três ou quatro pinhões em um carregador, e a engrenagem solar e a anelar engrenadas em todos eles, a força é igualmente distribuída por todo o conjunto de engrenagens. Segundo, as engrenagens, por estarem constantemente engrenadas, eliminam o risco de arranhar alguma marcha, como no caso das transmissões mecânicas, que utilzam engrenagens deslizantes. Finalmente, o desenho é muito compacto, uma vez que as engrenagens utilizam o mesmo eixo.

Os conjuntos planetários possuem quatro modos diferentes de operação. Várias embreagens e freios são aplicados para mudar o estado das engrenagens, determinando qual engrenagem está conduzindo e qual está travada no momento.

Redução - Para se obter uma redução neste conjunto, a engrenagem solar é movimentada e a engrenagem anelar é travada. A engrenagem solar movimenta os pinhões que caminham por dentro da engrenagem anelar que está travada no momento. Esta ação faz com o carregador planetário gire também, porém numa relação menor do que a engrenagem solar, e no mesmo sentido. Com o carregador planetário movimentando um eixo de saída, esta configuração fornece uma redução muito grande.

A operação com o conjunto planetário em redução aumenta grandemente o torque e reduz a velocidade de saída do eixo, em relação à rotação de entrada. isto significa que a rotação de entrada é maior que a rotação de saída (redução).

Marcha direta - A relação de marcha direta ocorre quando o eixo de saída gira na mesma rotação que o eixo de entrada. a marcha direta é obtida por acionar quaisquer duas engrenagens do conjunto planetário ao mesmo tempo. Esta ação força o terceiro membro do conjunto de engrenagens a girar também à mesma velocidade das outras duas.

Sobremarcha - A sobremarcha é obtida travando-se a engrenagem solar e acionando-se o carregador planetário. À medida que os pinhões giram ao redor da parte externa da solar, eles movimentam a engrenagem anelar na mesma direção, porém numa velocidade maior do que o carregador planetário, que neste caso é o elemento de entrada. com a engrenagem anelar movendo o eixo de saída, esta configuração fornece uma condição de overdrive ou de sobremarcha.

Na sobremarcha, o torque de entrada diminui e a rotação de entrada é aumentada relativamente à rotação de entrada. Isto significa que o eixo de saída está girando à rotações maiores que a rotação de entrada.

Marcha à Ré - A marcha à Ré é conseguida mantendo-se o carregador planetário travado e acionando-se a engrenagem solar. Esta ação faz com que os pinhões do carregador planetário acionem a engrenagem anelar na direção oposta e em redução. A operação da marcha à Ré no conjunto planetário não é necessária nos veículos híbridos de MODO DOIS visto que o motor elétrico e não o motor de combustão interna é utilizado para a marcha à Ré.

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