Entenda a configuração série/paralelo do trem de força de veículos híbridos

Apresentamos aqui as principais características da configuração série/paralelo do trem de força, utilizada em veículos híbridos como o Toyota Prius, Ford Fusion e Ford Escape, entre outros. Cabe salientar que os valores de potência e tensão de bateria, apresentados a seguir, são ilustrativos, já que variam dependendo do fabricante e do ano/modelo do veículo. A figura 1 apresenta o conjunto do trem de força.

Componentes do Sistema Híbrido Série/Paralelo
No caso do Toyota Prius, que será utilizado como exemplo, os principais componentes do sistema híbrido série/paralelo são:

- Motor de combustão interna: a gasolina de 1.5 litros de cilindrada, ciclo Atkinson, com comando variável e acelerador eletrônico. Desenvolve uma potência máxima de 57 kW ou 78 HP.

- 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. 

No Prius 1ª geração, a tensão de operação é 270 VAC, valor similar à tensão nominal da bateria.

A partir de 2004 (2ª geração), a tensão de operação passou para 500 VAC e, mais recentemente (3ª geração), para 650 VAC. Neste caso, um módulo interno do inversor/retificador cumpre a função de adequar esta tensão à de operação da bateria (270 V).

- 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. 

Até 2003, a tensão de funcionamento é 270 VAC, igual à tensão nominal da bateria.

A partir de 2004, a tensão de operação é 500 VAC. Neste caso, um módulo interno do inversor/retificador cumpre a função de adequar esta tensão à de operação da bateria (270 V).

Como motor, desenvolve uma potência máxima de 33 kW ou 45 HP (até 2003) e 50 kW ou 68 HP (a partir de 2004).

- Conjunto planetário (trem epicicloidal): a Toyota o denomina PSD (de Power Split Device, ou Elemento Distribuidor de Potência).

É um trem epicicloidal (conjunto planetário) que funciona como elemento distribuidor de torque entre o motor de combustão, MG1 e MG2. O motor de combustão está ligado aos satélites; o MG1, ao planetário e, o MG2, à roda de coroa (figura 2). 

- 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. Também retifica a tensão alternada (a transforma em tensão contínua para carga da bateria) produzida por MG1 e MG2, quando estes funcionam como geradores.

Possui, também, um conversor DC-DC (tensão contínua para tensão contínua) da alta tensão contínua para 12 V, necessário à carga da bateria de baixa tensão utilizada na alimentação dos acessórios do veículo. 

- 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 (UC AT): controla o inversor/retificador e, através deste, a operação de MG1 e MG2.

OPERAÇÃO DO SISTEMA
As figuras a seguir 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 (figura 3).  O motor de combustão permanece desligado durante o início de movimentação e nas baixas velocidades (até 25 km/h) em função de serem condições de baixa eficiência. O veículo se movimenta propulsionado por MG2, acionado diretamente da bateria (A). MG1 gira em sentido contrário sem gerar energia.

2. Movimentação em condições normais estabilizadas (figura 4). Entre 25 km/h 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 (figura 5). A potência extranecessária 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 em sentido contrário ao do motor de combustão, gerando uma condição de “sobremarcha”, que ajuda a atingir a velocidade máxima.

4. Desaceleração e frenagem (figura 6). 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. Esta 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 (figura 7). 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.