Sistemas automotivos híbridos

Os sistemas automotivos híbridos combinam duas fontes de potência: um motor de combustão interna (Otto ou Diesel) e um motor/gerador elétrico, para aproveitar os benefícios destes propulsores e compensar as eventuais deficiências.

Mesmo que se utilize 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 uma ou duas 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 12V, resulta igual a 410A, aproximadamente. Já no caso em que a tensão de bateria é 200V, a corrente resulta igual a 25A.

Configurações
1. Sistema híbrido série (figura 1). 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) à que seria desperdiçada na forma de calor. Este sistema encontra aplicação em veículos comerciais (micro-ônibus, por exemplo).

2. Sistema híbrido paralelo (figura 2). 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 (dos motores de combustão e 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, (mesmo com uma estrutura simples) por possuir um único motor/gerador elétrico, este elemento não pode acionar as rodas e simultaneamente carregar a bateria.

3. Sistema híbrido série/paralelo (figura 3). 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, 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 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 o consumo de energia que seria, de 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 por meio 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.