Eletrificação veicular – carros híbridos utilizam um motor a combustão e outro elétrico

Ainda que utilizando um motor elétrico, estes sistemas não requerem uma fonte externa para a carga da bateria como acontece com os veículos elétricos.

Componentes Básicos

São aqueles presentes em todos os sistemas híbridos atuais:

- Motor de combustão interna. Pode ser de ciclo Otto ou de ciclo Diesel.

- Motor/Gerador elétrico. O sistema pode possuir 1 ou 2 unidades. Em todos os casos são do tipo trifásico com rotor de imã permanente e, portanto, sem escovas.

- Bateria de alta tensão. Utilizada para o acionamento do (s) motor (es) elétrico (s). A tensão varia entre 100 e 300V. A alta tensão de trabalho contribui para a diminuição da bitola dos fios de conexão e dos bobinados do motor/gerador. Como resultado verifica-se a diminuição do peso do conjunto e a diminuição das perdas por calor na cablagem.

Lembrar que: Potência consumida = Corrente x Tensão ou P [W] = I [A] x V [V]. 

Daqui resulta que I = P/V.

Assim, a corrente requerida por um motor de 5 kW (5.000 W) alimentado com uma bateria de 12 V resulta igual a 410 A, aproximadamente. Já no caso em que a tensão de bateria é 200 V, a corrente resulta igual a 25 A. 

Configurações

1. Sistema Híbrido Série. Nesta configuração, o motor de combustão interna aciona o gerador elétrico, que por sua vez, aciona o motor elétrico que movimenta as rodas. A sua denominação deriva do fato que o motor de combustão e o elétrico estão em série. Esta configuração permite que um motor de combustão de baixa potência funcione numa faixa eficiente de rotação estabilizada, fornecendo a corrente de acionamento do motor elétrico e de carga da bateria. O motor elétrico, por sua vez, pode funcionar como gerador nas fases de desaceleração e frenagem do veículo, recuperando como energia elétrica (para recarga da bateria) a que seria desperdiçada na forma de calor. Este sistema encontra aplicação em veículos comerciais (micro-ônibus, por exemplo).

2. Sistema Híbrido Paralelo. Nesta configuração, tanto o motor de combustão como o elétrico acionam as rodas. A potência requerida de cada um destes elementos depende das condições de funcionamento. A sua denominação deriva do fato que a potência de acionamento (do motor de combustão e do motor elétrico) flui para as rodas em paralelo. A bateria é carregada comutando o motor elétrico para funcionar como gerador.

O motor elétrico, por sua vez, pode funcionar como gerador nas fases de desaceleração e frenagem do veículo.
Em função do motor de combustão e o elétrico acionarem as rodas diretamente, esta configuração precisa de embreagem.
No entanto, (ainda que possuindo uma estrutura simples) devido a que possui um único motor/gerador elétrico, este elemento não pode acionar as rodas e simultaneamente carregar a bateria.

3. Sistema Híbrido Série/Paralelo. Esta configuração combina as duas anteriores com o objetivo de maximizar as vantagens de ambas. Como consequência, o sistema resulta mais complexo tanto na constituição mecânica e elétrica como no seu controle eletrônico.

Possui dois motores/geradores (MG1 e MG2) e segundo as condições de operação, o sistema utiliza a potência de acionamento só do MG2 ou do motor de combustão e do MG2 simultaneamente e isto, para obter o máximo nível de eficiência.

Quando necessário, o sistema aciona as rodas e ao mesmo tempo, gera energia elétrica utilizando MG1 como gerador.

O motor elétrico MG2, por sua vez, funciona como gerador nas fases de desaceleração e frenagem do veículo.

Vantagens dos Sistemas Híbridos

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 (sistema série/paralelo). 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. 

Nas próximas edições serão apresentados exemplos de aplicação da tecnologia série e série/paralelo em veículos atualmente no mercado.

A seguir, é analisado o funcionamento do sistema híbrido série/paralelo do Toyota Prius. Esta configuração foi também utilizada no Ford Fusion e Ford Escape, entre outros.

Sistema Híbrido Série/Paralelo - A figura acima apresenta o conjunto do trem de força. A distribuição de torque entre o motor de combustão, MG1 e MG2 é feita através de um trem epicicloidal (conjunto planetário). O motor de combustão está ligado aos satélites, o MG1 ao planetário e o MG2 à roda de coroa. 

Componentes do Sistema Híbrido Série/Paralelo - Os principais componentes do sistema híbrido série/paralelo são:

- Motor de combustão interna. No caso do Toyota Prius é um motor a gasolina de 1.5 litros de cilindrada, ciclo Atkinson, com comando variável e acelerador eletrônico. 

- Motor/Gerador 1 (MG1). Como gerador recarrega a bateria de alta tensão e fornece energia para o acionamento do MG2, quando necessário. Como motor elétrico opera a partida do motor de combustão. Também tem a função de controle do conjunto planetário. Dependendo da versão, a tensão de operação é 270 VAC ou 500 VAC. 

- Motor/Gerador 2 (MG2). Funciona como motor fornecendo a potência necessária em baixa velocidade e torque suplementar nas altas velocidades. Durante a frenagem regenerativa funciona como gerador carregando a bateria de alta tensão.

- Conjunto planetário (trem epicicloidal). Funciona como elemento distribuidor de torque entre o motor de combustão, MG1 e MG2. 

- Inversor/Retificador. Controla o fluxo de energia entre MG1, MG2 e a bateria de alta tensão. Converte a tensão contínua de bateria em tensão alternada trifásica para a alimentação de MG1 e MG2 quando estes funcionam como motores. E retifica a tensão alternada produzida por MG1 e MG2, quando estes funcionam como geradores.

Em modelos mais recentes, este módulo adapta as tensões de trabalho dos MGs (500 V) à tensão da bateria de alta tensão (270 V).

- Bateria de alta tensão. Armazena a energia produzida por MG2, quando da frenagem regenerativa, e a produzida por MG1. O conjunto opera com tensão de 270 V. 

- Unidade de comando de alta tensão. Controla o inversor/retificador e através deste, a operação de MG1 e MG2.

Operação do Sistema

As figuras ilustram como se distribui o torque gerado entre o motor de combustão, MG1 e MG2.

1. Início de movimentação e condição de baixa velocidade do veículo (fig.6). O motor de combustão permanece desligado durante o início de movimentação e nas baixas velocidades (até 25 km/h) em função de serem estas, condições de baixa eficiência. O veículo se movimenta propulsado por MG2 acionado este, diretamente da bateria [A].

2. Movimentação em condições normais estabilizadas (fig.6). Entre 25 e 70 km/h o motor de combustão funciona e o torque gerado é dividido pelo conjunto planetário: 

- Uma parte aciona mecanicamente MG1 que por sua vez, funcionando como gerador, aciona eletricamente MG2 [B].

- O resto do torque aciona as rodas diretamente [C].

A alocação de potência é controlada de forma a maximizar a eficiência.

3. Aceleração. A potência extra necessária é fornecida diretamente pela bateria [A]. Isto complementa a ação do motor de combustão [C] e de MG1 [B]. 

Nos casos de aceleração ou de velocidade máximas, a bateria fornece energia ao MG1 que passa a funcionar como motor. Gira de forma a gerar uma condição de "sobremarcha" que ajuda a atingir a velocidade máxima.

4. Desaceleração e frenagem. Assim que o motorista tira o pé do acelerador, MG2 passa a atuar como gerador impulsionado pelas rodas. Na desaceleração, o motor de combustão é desligado. Este processo é denominado "frenagem regenerativa". Ao acionar o freio, a força de frenagem inicial é a requerida por MG2 para funcionar como gerador. Estas frenagem e desaceleração regenerativas recuperam a energia cinética (energia de movimento) do veículo convertendo-a em energia elétrica para carga da bateria [D]. ,

5. Recarga da bateria. Quando necessário, o motor de combustão aciona o gerador MG1 [E] com o objetivo de manter suficiente reserva de energia elétrica. Esta recarga pode acontecer, por exemplo, durante o funcionamento em condições estabilizadas ou com o veículo parado e o motor de combustão funcionando na marcha lenta.