Veículos Híbridos Eléctricos: Estado da arte em 2007

Bom dia, e bem vindos à primeira aula deste ano do Prof. Pardal.🙂

Hoje o tema vai ser sobre Veículos Híbridos Eléctricos (VHE).

Introdução

Um veículo híbrido é um veículo que integra mais do que uma fonte de energia para a sua propulsão. Esta é a definição real mais específica que se pode fazer, pois existem excepções a quase todas as “regras” que possamos utilizar para definir os híbridos. Mesmo o híbrido eléctrico é difícil de classificar, pois há várias arquitecturas possíveis, e com vários “níveis” de hibridização. No entanto, sempre que se fala de híbridos hoje em dia, fala-se de Veículos Híbridos Eléctricos, ou seja, que misturam a fonte de energia “combustível” com uma fonte de energia “eléctrica”.

Mas não compliquemos muito; eis os híbridos ligeiros que actualmente podemos encontrar no mercado global (a lista não pretende ser exaustiva, apenas representativa):

  • Honda:
    • 2000-2006: Insight ~ 3,7 L/100km (71 Cv.)
  • Toyota/Lexus:
    • 1997-?: Prius ~ 4,5 L/100km (110 Cv.)
    • 2007-?: Camry ~ 6 L/100km (192 Cv.)
    • 2007-?: GS 450h ~ 9 L/100km (339 Cv.)
    • 2007-?: LS 600h ~ 11 L/100km (430 Cv.)
  • Nissan:
    • 2007-?: Altima ~ 6 L/100km (198 Cv.)
  • General Motors/Saturn:

O “Saturn Aura Green Line” não é um híbrido no verdadeiro sentido do termo, mas incorpora técnicas interessantes de poupança de combustível com base no sistema de transmissão BAS explicado mais abaixo na secção “Híbrido Paralelo”.

De todos estes, só o Toyota Prius e o Honda Civic Hybrid são vendidos em Portugal com algum sucesso, o que faz sentido por causa da relação preço/características. Por acaso, tenho um de cada estacionados nas minhas vizinhanças, e em entrevistas rápidas aos donos descobri que ambos consomem geralmente o mesmo: 5 L / 100 km. É certo que é possível obter consumos mais baixos (ou mais altos) mediante a alteração do estilo de condução, mas o que nos interessa aqui é o comportamento normal (no sentido estatístico) dos condutores, e por isso (na ausência de uma amostra maior) passarei a afirmar que é este o consumo comum de um Veículo Híbrido Eléctrico hoje em dia: 5 L / 100 km.

Uma menção honrosa deve ser feita ao Honda Insight, que consome menos de 4 L / 100 km, mas que infelizmente já não é fabricado, e também não foi vendido em Portugal. Falta de visão comercial dos Japoneses, que acham que só o mercado dos Americanos interessa… enfim, é a vida. O Insight era um híbrido criado no sentido tradicional do Veículo Eléctrico, ou seja, pequeno, leve e eficiente. Os motores eram pouco potentes e económicos, e isso fazia sentido para a Europa. Não sei porquê, não testaram o mercado como deve ser por aqui… acabaram por desistir dele, pois os Americanos continuam agarrados à mentalidade “bigger is better” e as vendas lá não compensam. O Prius e o Civic acabam por preencher a lacuna comercial, tanto de um lado do oceano como do outro.

Fica aqui o anúncio de 1999 do Insight, em jeito de homenagem:

Uma questão que talvez seja comum em muitas cabeças é “de onde vem a electricidade para o motor eléctrico?”… das baterias recarregáveis, claro! Mas… “e quando as baterias estão descarregadas?”… Bom, aqui há duas hipóteses: ou se liga o veículo à tomada de casa e se espera qualquer coisa para cima de 6 horas, ou então deixamos que seja o Motor de Combustão Interna (MCI), através de um gerador eléctrico interno ao veículo, a carregá-las. Esta última solução é a adoptada por todos os veículos híbridos em produção. É muito prática, e não implica nenhum tipo de infraestrutura em casa das pessoas.

Cada vez mais, há quem prefira usar um VHE em modo puramente eléctrico na maior parte do tempo, e por isso já surgiram empresas que fazem a adição de uma tomada eléctrica ao VHE para poderem ser carregados em casa (como é o caso do Prius). Para os próximos anos, a moda são os “Plug-in Hybrids”, ou seja, híbridos recarregáveis na tomada de casa. Porém, recarregar um veículo eléctrico na tomada de casa é na maior parte dos países um acto poluente; é que a energia eléctrica distribuída na rede é produzida maioritariamente com recurso à queima do petróleo, carvão, e gás natural, o que torna os veículos eléctricos recarregáveis quase tão poluentes como um táxi velho!… Por esta razão costuma dizer-se que os veículos eléctricos simples não têm tubo de escape, mas têm chaminé. A realidade é que é economicamente mais suportável revolucionar o parque automóvel de uma só vez (em poucos anos) com tecnologias limpas, do que “limpar” as centrais eléctricas, pois o custo dos automóveis é distribuído pela população.

Por razões de pragmatismo, no contexto da nossa aula de hoje e a não ser que se afirme em contrário, estarei sempre a falar de VHE autónomos, ou seja, que não se carregam através da rede eléctrica mas sim a partir do MCI a bordo.

Eficiência energética

Feita a introdução, vamos lá “desmontar” os Híbridos e ver como funcionam.

O motor de combustão interna, apesar da sua provecta idade superior a 130 anos, tem visto muito poucos desenvolvimentos realmente revolucionários nos últimos… 50 anos! Isto do ponto de vista da eficiência, claro! Porque qualquer fabricante automóvel pode mostrar com orgulho os milhares de patentes registadas por ano à volta da tecnologia automóvel… No entanto, a eficiência ou rendimento dos motores de combustão interna continua “pelas ruas da amargura”! Dependendo da maneira como se fazem as contas, podem-se obter números entre os 15% e os 30%, sendo o resto perdido maioritariamente em calor; mas a verdade é incontornável: nunca se viu um motor real, num carro real, capaz de se aproximar sequer dos 50% de rendimento. Se os automóveis à venda fossem classificados segundo a sua eficiência energética, tal como se faz com os electrodomésticos e agora com os edifícios, e se nessa classificação entrassem os veículos eléctricos puros na comparação (provavelmente um “A” ou “B”, com rendimento na ordem dos 90%), duvido que os automóveis conseguissem uma classificação superior a um “J”!…

Então o que se faz para aumentar o rendimento energético (reduzir o consumo) num VHE?… basicamente três coisas:

  1. Assistência eléctrica“: Auxilia-se e/ou substitui-se temporariamente o MCI com o motor eléctrico; isto tem duas vantagens:
    1. evita que o MCI funcione em regimes desfavoráveis (menos eficientes e mais poluentes);
    2. permite ter um MCI subdimensionado, e cobrir os picos de potência com o motor eléctrico;
  2. Ralenti eliminado“: Desliga-se o MCI sempre que ele não é preciso, mesmo em paragens curtas;
  3. Travagem regenerativa“: Aproveita-se a energia das travagens para carregar as baterias, em vez de a desperdiçar em aquecimento e desgaste dos travões. Aqui entra em jogo uma propriedade muito interessante dos motores eléctricos, que é a versatilidade de também poderem ser usados como geradores.

Estas 3 técnicas estão listadas pela ordem decrescente de importância no mundo real, segundo apurado em vários estudos, como se pode inferir da fig. 21 deste relatório Sueco, que deverão utilizar para consulta após esta aula (os capítulos 8.1.1 e 8.1.2 são importantes na clarificação das vantagens do sistema híbrido no que concerne à eficiência energética).

Híbrido Eléctrico Paralelo

Mais por razões de marketing e direitos de propriedade intelectual (patentes) do que por razões de engenharia, cada fabricante optou por adoptar sistemas distintos para construir os seus híbridos. Mesmo assim, quase todos eles se podem classificar dentro da mesma categoria: “Paralelo”.

Vejamos então o famoso VHE Paralelo mais de perto. Porquê “paralelo”? Porque nestes veículos, o motor de combustão e o motor eléctrico ambos propulsionam as rodas, e podem fazê-lo ao mesmo tempo, ou seja, “em paralelo”.

O esquema do Paralelo permite bastantes graus de liberdade, e pode portanto ser implementado de várias maneiras.

A mais simples é a adaptação directa de um veículo comum através da adição da tracção eléctrica ao eixo livre (aquele que não se encontra ligado ao MCI). Se isto for feito acrescentando o motor eléctrico ao eixo traseiro, como se vê na próxima figura, tem as seguintes desvantagens:

  • Reduz a eficácia da recarga das baterias através de travagem regenerativa, pois o binário de força disponível na travagem é bastante maior no eixo da frente que no de trás;
  • A recarga principal das baterias tem forçosamente de ser feita “através da estrada”, ou seja, o motor eléctrico faz de gerador quando o eixo traseiro é “puxado” pela força do eixo dianteiro (que está ligado ao MCI), o que não é uma transmissão altamente eficiente (principalmente por causa dos pneus).

As ilustrações que se seguem pertencem ao livro base desta cadeira, “Electric Vehicle Technology Explained“, que deverão consultar sobre estes assuntos.

hibrido-paralelo-traseira.png

Este esquema só é aceitável no caso de se desejar um híbrido muito barato, pois é simples de construir. No entanto, os ganhos de eficiência são reduzidos, tornando a ideia uma má opção, podendo mesmo tornar-se difícil justificar o investimento no material eléctrico para ganhos tão baixos.

Por estas e outras razões de carácter regional, é mais comum observar Paralelos com as tracções instaladas ao contrário do exemplo anterior – eixo eléctrico à frente, e eixo mecânico atrás, como se vê na figura seguinte:

hibrido-paralelo-el-frente.png

Este esquema já não sofre do problema de desperdício de travagem regenerativa do anterior, mas ainda conserva as perdas energéticas provenientes da recarga “através da estrada”. Apesar disto, existem alguns híbridos comercializados dentro deste modelo, como sejam Jipes ou SUVs, dado que é fácil a introdução do sistema híbrido no eixo livre destes veículos de grande porte. Mas como toda a gente sabe, os SUVs são muito pouco eficientes quando utilizados em trânsito comum ou citadino, e são portanto neste contexto o grande inimigo da economia e do ambiente. Ainda por cima, são cada vez mais usados como símbolos de status social, e cada vez menos como veículos utilitários para trabalhos específicos… mas isto é outra história.

Híbrido Eléctrico Série

Apesar do seu sucesso comercial, o Paralelo a transmissão combinada (ver abaixo) não é a mais eficiente dos veículos híbridos. Em teoria, o sistema híbrido-eléctrico de maior eficiência é o VHE Série.

Esta variante é na minha opinião a mais simples de todas, e distingue-se pelo facto de o MCI não ter qualquer ligação mecânica às rodas. Toda a tracção do veículo provém do(s) motor(es) eléctrico(s), e a energia eléctrica provém da bateria, que é carregada por um gerador accionado directamente pelo MCI. É por causa desta longa cadeia de componentes que o modelo se chama “Série”.

hibrido-serie.png

O esquema de híbrido Série pode ser interpretado de duas maneiras, consoante o seu dimensionamento e utilização:

  • como um veículo eléctrico puro ao qual é acrescentado um grupo gerador para carregar a bateria – então o motor eléctrico é principalmente alimentado pela bateria, podendo ser assistido pela corrente do gerador em caso de picos de potência;
  • como uma transmissão eléctrica para um motor de combustão – se a potência da bateria não for significativa e o gerador alimentar maioritariamente o motor eléctrico; os picos de potência provêm da bateria.

A primeira opção confere a maior poupança de energia, pois o MCI necessário é de menores dimensões e potência. A segunda opção aproxima-se perigosamente do comportamento do Paralelo, podendo incorrer nos mesmos desperdícios.

Quais são as vantagens que tornam este sistema assim tão eficiente?

  1. As técnicas de poupança energética 1 e 2 acima descritas (Assistência Eléctrica e Ralenti Eliminado) são elevadas ao seu máximo expoente, pois o MCI funciona única e exclusivamente dentro do seu regime de máxima eficiência, ou então está desligado;
  2. O MCI é dimensionado exactamente segundo as necessidades mais prováveis do veículo, ou seja, é sub-dimensionado face àquilo que é normal num veículo comum, permitindo logo à partida um consumo inferior.

Infelizmente, este esquema também tem os seus inconvenientes face aos Paralelos, e são de natureza económica. As desvantagens são:

  1. Logo à partida nota-se que tem forçosamente de incluir um gerador eléctrico com a mesma potência do MCI, separadamente do motor eléctrico;
  2. Como o MCI não colabora na tracção, isto significa que o sistema eléctrico (gerador, baterias, motores, e controladores electrónicos) tem de suportar a totalidade da potência de tracção do veículo (para o pior caso), e isto é o mais caro de implementar.

Pode-se “fugir” ao custo das baterias necessárias, utilizando uma tecnologia de bateria mais barata; no entanto, não é possível levar este raciocínio muito longe, pois quanto mais baratas são as baterias, menor é a sua densidade energética (Wh/L) e energia específica (Wh/kg), o que pode comprometer os ganhos do sistema por excesso de peso ou falta de capacidade. Por esta razão, a tecnologia de bateria para um híbrido Série, mais ainda do que num híbrido Paralelo, tende a ser cara.

Estas razões económicas têm pesado na decisão dos fabricantes (até agora) não suportarem este esquema, e preferirem o Paralelo.

No entanto, existem alguns híbridos Série na realidade. Eis aqui alguns exemplos:

#1: PML Flightlink “Mini QED” – um brinquedo absoluto, este monstro com 640 Cv instalados directamente nas 4 rodas tem apenas um pequeno motor de combustão de 250 cc (20 Cv) para recarregar a bateria, resultando num gasto de combustível de 2,9 L / 100 km, o que é fantástico para um superdesportivo. Este projecto tem como única intenção criar visibilidade para a empresa sua criadora, que é fabricante dos sistemas eléctricos de tracção.

E pelos vistos, a estratégia está a resultar, pois a Volvo já declarou que vai utilizar este material no seu próprio híbrido Série, o Volvo “Recharge”. A Volvo tenciona construir o Recharge com a capacidade de gastar apenas 1,8 L / 100 km!!!

#2: ISE Corporation “Gasoline Hybrid Bus” – bastante mais úteis que o Mini, esta gama de autocarros a circular em Palm Beach, California (EUA) consegue gastar menos e poluir muito menos que os congéneres a gasóleo e a gás. E a versão a gasóleo destes autocarros, a circular em New Jersey, já deu provas de grande capacidade de economia de combustível, entre 30 a 50 % face aos gasóleos standard. Entre outras coisas, esta empresa está empenhada a empregar aquilo que há de topo na tecnologia de híbridos, incluindo SuperCondensadores e baterias Zebra. Apesar disso, os benefícios económicos calculados por eles situam-se nos 5.000 a 10.000 USD por ano e por autocarro, em manutenção e combustível, face às alternativas.

Parece portanto que o híbrido Série está votado a papéis de nicho, por enquanto… ou então não!! Já há marcas automóveis a planear os seus híbridos Série para os próximos tempos:

Aqui temos de “tirar o chapéu” à empresa Francesa SVE, do grupo Dassault, por ter colaborado com a sua indústria nacional e ter dado origem a um híbrido Série Combinado presentemente em fase de teste-piloto, ou seja, muito à frente da concorrência internacional. O sistema “Cleanova” não é um novo modelo de VHE para o mercado, mas sim uma conversão de veículos de mercado (Renault Kangoo) para híbrido Série Combinado. Bom, na realidade o Cleanova não é bem Série; é sim um sistema similar ao Prius; tanto pode funcionar em Série ou Paralelo. No entanto, por via das políticas de gestão energética implementadas, os Cleanova funcionam a maior parte do tempo como Série (veículo eléctrico em que o MCI apenas carrega a bateria), só entrando em modo Paralelo quando é necessário um pico de potência, adicionando as potências das duas fontes de energia.

Híbrido Eléctrico Combinado

Eis-nos então chegados à solução quase universalmente adoptada pelos fabricantes, por mim baptizada de Híbrido Paralelo de Transmissão Mista Combinada. Como se pode ver na figura, esta solução alia os dois tipos de motor (MCI e Eléctrico) numa só transmissão mecânica para as rodas do veículo.

hibrido-paralelo-mista.png

Este esquema já não sofre dos problemas presentes nos outros dois Paralelos acima descritos; por um lado, a travagem regenerativa é feita a partir do eixo dianteiro (já que é comum ser este o eixo motriz); por outro, a transmissão mecânica directa entre o MCI e o motor eléctrico permite uma recarga de baterias mais eficiente (quando este é usado como gerador) do que a “transmissão por estrada”. Adicionalmente, todos os Paralelos Combinados apresentam as seguintes vantagens:

  1. O motor eléctrico também serve de gerador, eliminando a necessidade de um gerador à parte;
  2. O motor eléctrico também serve de motor de arranque para o MCI, eliminando esse peso extra;
  3. O material eléctrico (motores, controladores, baterias) pode ser largamente subdimensionado, pois não é crítico para a marcha do veículo;
  4. Há muita liberdade de combinação entre as duas tracções (eléctrica e de combustão).

É de notar que a “transmissão mista” acima referida pode tomar um grande número de formas, estando limitada apenas pela imaginação dos engenheiros. Aquelas que tenho conhecimento são:

  1. Caixa CVT HSD, da Toyota, que gere 3 eixos mecânicos;
  2. Sistema IMA, da Honda, que é a imposição directa do motor/gerador eléctrico no veio do MCI;
  3. Motores-roda (“In-wheel motors“), em forma toroidal, que podem ser instalados nas mesmas rodas do eixo motriz;
  4. Sistema BAS, da General Motors, que consiste em usar um gerador/motor para arranque no lugar do alternador.

O sistema BAS (“Belt Alternator Starter”) é extremamente apelativo para os fabricantes por causa do seu custo muito reduzido. Permite uma economia de combustível de cerca de 5%, e é a base da característica “auto start/stop” que agora aparece na última geração de automóveis “normais” – permite desligar e reiniciar o MCI mesmo na mais pequena paragem (semáforos incluídos), evitando o desperdício do “ralenti”. A BMW, por exemplo, já equipou os seus novos modelos de veículo de combustão com um sistema deste género. Apesar da boa intenção, este sistema só é verdadeiramente útil se for cómodo (ou então o utilizador desabilita-o), e isso só parece acontecer num VHE, que possui motores eléctricos com potência para produzir o arranque instantâneo do veículo, podendo o MCI nem sequer ser solicitado a arrancar.

Os “motores-roda” (“in-wheel motors“) são usados em vez do tradicional motor cilíndrico com transmissão mecânica (caixa + diferencial). Por si só, este tipo de motor permite eliminar as perdas da transmissão, e ainda controlar cada roda independentemente e com grande precisão e rapidez, o que abre novas avenidas de criatividade no desenvolvimento automóvel. A Mitsubishi testou um “Lancer Evo 9 eléctrico” (não híbrido) em Rally em 2005 com um motor em cada roda, e tudo indica que a tecnologia está perfeitamente pronta para a estrada. Quando usados num híbrido paralelo, estes motores permitem a electrificação do eixo motriz existente sem grandes alterações à transmissão e suspensão tradicionais.

Tanto o Toyota Prius como o Honda Civic Hybrid cabem perfeitamente no modelo Combinado Paralelo (sim, eu sei que o Prius também pode funcionar em modo Série, mas efectivamente só o faz de vez em quando, privilegiando o modo paralelo). No entanto, as implementações das duas marcas são radicalmente diferentes. A solução da Honda prima pela simplicidade, enquanto que a da Toyota prima pela sofisticação.

Paralelo Combinado: Honda

A Honda decidiu simplesmente substituir o volante de inércia (que é tipicamente encontrado à saída da cambota do MCI) por um motor eléctrico em forma de “bolacha”, mantendo o resto da transmissão mecânica praticamente inalterado. Esta solução é um sinal de génio em si própria: troca um componente que apenas exerce peso (mas que é vital para um funcionamento suave) por outro equivalente mas com capacidades acrescidas, e mantém o resto do sistema inalterado. A simplicidade da inteligência.😉 O motor/gerador eléctrico fica assim numa posição privilegiada para poder colaborar nas acelerações, servir de motor de arranque do MCI, fazer de gerador regenerativo durante as travagens com redução, e de gerador simples quando em velocidade de cruzeiro. A Honda chama a isto “IMA – Integrated Motor Assist“, e não podia ser mais integrado. O controlador electrónico do sistema define então as políticas de utilização do motor/gerador eléctrico.

O sistema IMA pode ser visto em corte na figura seguinte, com o motor eléctrico “ensandwichado” entre a cambota do MCI e a embraiagem:

honda-ima-cut.jpg

Note-se que o sistema IMA apenas produz regeneração eléctrica nas reduções de caixa, e não nas travagens. Isto pode ser automatizado em veículos com caixa automática, mas depende completamente do condutor em veículos com caixa manual.

Paralelo Combinado: Toyota

A Toyota, pelo contrário, enveredou pelo caminho do virtuosismo mecânico, e resolveu inventar um novo paradigma de transmissão mecânica: o “Hybrid Sinergy Drive“. O conceito deste sistema gira à volta de uma Transmissão de Variação Contínua baseada numa engrenagem epicicloidal, que permite dosear o fluxo de potência mecânica entre 3 eixos: o do MCI, o do gerador eléctrico, e o do motor eléctrico e rodas.

O sistema da Toyota pode ser visto na figura seguinte, com o gerador, engrenagem epicicloidal, e motor eléctrico, todos à saída da embraiagem do MCI:

toyota-hsd-cut.jpg

O sistema HSD pode produzir verdadeiras travagens regenerativas, pois o veículo é inteiramente “drive-by-wire”, ou seja, controlado por computador. Aliás, o sistema é demasiado complexo e dinâmico para poder ser operado sem a ajuda de um computador, como se pode ver no esquema seguinte:

Este é um carro que é impossível “pegar de empurrão”!🙂

Qualquer comparação entre os dois sistemas tem de reconhecer o realismo com que a Honda criou o IMA. Não só é mais simples, mais pequeno, mais leve, e mais barato, como ainda por cima resulta quase na mesma poupança de combustível que o da Toyota. É claro que a tecnologia dos motores de combustão também tem muita influência no resultado…

“Para quê tanta complexidade?” é a pergunta que alguns podem fazer. A transmissão combinada HSD tem vantagens sobre todas as outras, pois é o melhor compromisso entre todas as variáveis: custo do sistema, eficiência total do sistema, redução de emissões, autonomia do veículo, potência máxima disponível do veículo, e longevidade da bateria. Foi definitivamente a aproximação certa para conquistar um mercado que não estava preparado para grandes revoluções nem disposto a prescindir dos seus maus hábitos – a falha que matou o Honda Insight e outros congéneres. No entanto, como compromisso que é, não é perfeito em nenhum destes aspectos, apesar de ser um veículo bastante bom e um produto que se destaca num mercado que peca pela falta de originalidade e de espírito de missão.

Na minha opinião, o Híbrido de Transmissão Série é a via do futuro próximo, e não o de Transmissão Combinada. É certo que ainda outros modelos Combinados e até mesmo Paralelos sairão para o mercado, mas o caminho sustentável a seguir é definitivamente aquele que levará à ubiquidade do Veículo Eléctrico puro. E o meio de lá chegar, tanto tecnologicamente como logisticamente, é a Transmissão Série – por ser basicamente um Veículo Eléctrico com um Grupo Gerador acoplado. Gerador esse, que pode ser implementado com base em várias tecnologias (pilhas de hidrogénio, motores de combustão, turbinas de gás, etc.), de acordo com os recursos disponíveis em cada região, efectivamente libertando as nações da dependência do petróleo.

Falta de Pilhas

Energia

Apesar da arquitectura e tecnologia de VHEs já estar madura há muitos anos, há um grande problema que acompanha o carro eléctrico desde o princípio da sua vida: as baterias. É sabido que uma bateria eléctrica dificilmente poderá concorrer directamente contra um depósito de combustível líquido, tanto em volume, como em peso, como em preço. O “Calcanhar de Aquiles” continua portanto a ser a autonomia de viagem com uma carga de bateria. Sendo o peso o maior inimigo de um veículo eficiente, o parâmetro de maior importância na avaliação de uma bateria eléctrica é a sua energia específica (Wh/kg).

A relação desfavorável está bem clara na tabela seguinte.

Tipo de Acumulador Densidade Energética (Wh/L) Energia Específica (Wh/kg) Potência Específica (W/kg) Vida Útil (ciclos de descarga)
Gasolina 8.760 12.700 ?
1
Gasóleo 9.700 11.600 ?
1
Pb-HSO
95 35 250 800
Ni-Cd 150 60 150 2.000
Ni-Mh
300 80 1.000 1.000
Na-NiCl “Zebra” 150 90 150 1.500
Li-Ion 270 160 1.800 1.200
Zn-O(Pg.47) 270 230 105 1
Al-O(Pg.47) 195 225 10 1

(As baterias Metal-Ar (Al-O, Zn-O) só se podem descarregar uma vez; depois têm de ser “cheias” com eléctrodos novos)

Mesmo considerando a péssima eficiência (15%) dos motores de combustão, a Gasolina ainda apresenta 12.700 x 0,15 = 1.905 Wh/kg de energia útil para locomoção.

A melhor tecnologia (160 Wh/kg) de bateria comercializada (“Li-ion”, Lítio ionizado) apenas consegue uma energia específica que é uma fracção de 8,3% da da Gasolina. Esta é a maior razão pela qual ainda não andamos todos de automóvel eléctrico, mas estamos agora a começar a ver híbridos na estrada. No entanto, isto é já uma enorme evolução em relação às baterias de Chumbo, que apenas conseguem uma fracção de 1,8% da energia específica da Gasolina. Infelizmente, a tecnologia de Lítio tem sido até à data altamente perigosa quando não rigidamente controlada (explode quando sobrecarregada, curto-circuitada, ou perfurada), para além de ter uma vida útil mais limitada, quer esteja em uso ou não. É comum uma bateria de Lítio “morrer” por volta dos 3 anos desde o fabrico, como qualquer dono de um computador portátil sabe.

Apesar de tudo, a noção de que as Pilhas de Lítio são mais caras do que as concorrentes já não é verdade desde 2004, por causa da massificação do fabrico para dispositivos de consumo electrónico, como telemóveis e computadores.

Os perigos do Lítio fazem-nos considerar as “Zebra” (90 Wh/kg); mas estas também têm vários inconvenientes, como o de funcionarem com metais corrosivos liquefeitos a uma temperatura de 250 graus centígrados, o que é pouco prático, pouco eficiente em termos energéticos, e ainda por cima perigoso em ambientes automobilizados, para além de ser cara. Isto deixa-nos a tecnologia de Níquel como próxima candidata.

Por causa do perigo e curta longevidade da tecnologia de Lítio e impraticalidade da Zebra, a escolha para baterias de Híbridos tem recaído na tecnologia de 80 Wh/kg do NiMH (Hidreto Metálico de Níquel), que tem provas dadas no mercado e corresponde a um bom compromisso entre custo, energia específica, e longevidade. É este tipo de Pilha que se encontra nas baterias “Híbridas” do Prius e do Civic, conferindo uma energia específica baixa mas podendo durar a vida do carro, desde que “bem tratadas”.

Janela de carga

Para piorar as coisas ainda mais, a química das Pilhas recarregáveis tem tendência a responder muito mal ao acto de ser descarregada até ao fim da capacidade. No caso da bateria de Chumbo, isto implica a morte quase imediata da bateria; no caso das Lítio e Níquel, provoca uma degradação irreversível e cumulativa que vai levar à morte prematura da bateria, muito antes dos 1.000 ciclos de carga/descarga prometidos. Por esta razão, os construtores limitam a descarga das baterias dos Híbridos; o Prius não deixa descarregar abaixo de 45%, e o Civic abaixo de 20%. Parece que a Toyota está mais preocupada com a garantia das suas baterias do que a Honda…😉 Ou então a Honda consegue mantê-las mais frias, e assim compensa a perda de longevidade.

Juntando a este limite mínimo o facto de não se poder ter sempre a bateria completamente carregada para poder absorver a energia das travagens, então vemos que as baterias dos Híbridos funcionam dentro de uma “janela” de carga, bastante inferior à sua capacidade máxima. O Prius e o Civic limitam a carga máxima a 80%, se bem que o Prius se esforça por manter um nível de carga de 65% a todos os instantes.

Potência

A tracção automóvel é tipicamente uma aplicação que exige grandes picos de potência nas acelerações e travagens. As travagens estão garantidas (no pior caso) pela capacidade de eliminação de calor nos travões; Quanto às acelerações, é comum um MCI ter para cima de 70 Cv, ou seja, mais de 50 kW de potência. Tanto as Pilhas de Lítio como as de Níquel podem perfeitamente fornecer essa potência; o Prius tem uma bateria que dá 81 kW (com 68kg), o que excede largamente os requisitos.

No entanto, as Pilhas recarregáveis (independentemente da sua química) não “gostam” de picos de corrente muito elevados; “preferem” ser carregadas e descarregadas de uma forma mais homogénea e “calma”. Caso contrário, o que acontece é o encurtamento da vida útil da bateria, que já não vai durar os tais 1.000 ciclos de carga/descarga. Para além disso, existe um efeito negativo na capacidade efectiva (Wh) de uma bateria se esta for descarregada muito depressa; é portanto preferível descarregá-la devagar para obter maior autonomia. Isto é conhecido como o efeito de Peukert, e apesar de ser uma lei das baterias de Chumbo, também se aplica parcialmente às outras tecnologias.

É aqui que entram os SuperCondensadores (“supercaps”). Usados em conjunção com as baterias, estes componentes, apesar de muito fracos do ponto de vista energético (2 ~ 4 Wh/kg), fornecem uma potência imediata bastante grande (5 ~ 15 kW/kg). Com um filtro de potência construído de Supercaps, as baterias já não sofrem cargas e descargas violentas, aumentando a autonomia e a longevidade.

Como objectos de estudo, podem analisar as especificações dos seguintes módulos de “supercaps”:

  • Thunderpack II: Módulo usado no sistema dos autocarros ISE;
  • BMOD0165 E048: Módulo BOOSTCAP vendido pela Maxwell Technologies para aplicações industriais.

O alto preço e a parca energia específica dos supercaps obriga à utilização em conjunto com outros armazéns de energia; eles têm principalmente sido usados como filtros para fontes de energia irregulares ou sensíveis, como por exemplo as Pilhas de Combustível (“Fuel Cells”) e baterias de baixa potência, apesar de serem usados também a solo em alguns híbridos, como é o caso dos autocarros acima descritos.

Nova geração

Dadas estas limitações bem conhecidas, tem-se vindo a desenvolver novas tecnologias de pilha para uma nova “época eléctrica”. Os Norte-Americanos, dentro do seu programa para Veículos Híbridos que tem como intenção a libertação da dependência do petróleo estrangeiro, têm um programa de desenvolvimento de baterias e supercaps avançados.

A nanotecnologia é uma das ferramentas que tem contribuído de forma mais importante para a evolução das pilhas, mais ainda do que a química. A grande fronteira de investigação parece ser agora a optimização dos processos electroquímicos já conhecidos, com recurso às propriedades físicas conferidas pela geometria nanoscópica dos componentes empregues. As interacções entre o electrólito e os eléctrodos estão na ordem do dia, e a intenção é chegar a ou mesmo ultrapassar a eficiência de processo presente nas células vivas de uma planta ou de um animal.

Entre os benefícios encontrados nesta nova geração de Lítio, contam-se:

  • a muito elevada potência específica (~3.000 W/kg), que elimina a necessidade de supercondensadores;
  • a utilização completa dos ciclos de carga e descarga sem prejuízo da vida útil;
  • a estabilidade química e física largamente melhorada, não apresentando os perigos das Li-ion comuns, o que é imperativo para aplicações automobilizadas.

Em caso de dúvida quanto à potência específica, pode-se sempre ir à pista de “drag racing” ver motos e carros eléctricos a volatilizar borracha (e motores eléctricos) com estas pilhas… 😉

Eis alguns fornecedores desta última geração de Lítio:

Tipo de Acumulador Densidade Energética (Wh/L) Energia Específica (Wh/kg) Potência Específica (W/kg) Vida Útil (ciclos de descarga)
Li-Poly 200 300 2800 1000
“A123” Li-NP 110 100 3000 1000
“EnerDel” Li-TO 97 ? 2000~3000 ? 1000
“EnerDel” Li-hc 140 ? 2000~3000 ? 1000

Peço desculpa pela falta de informação concreta, mas os fabricantes ainda estão a determinar exactamente os valores para a versão que vão utilizar nos novos híbridos…

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As pilhas da “A123” já podem ser encontradas inseridas nos punhos das ferramentas eléctricas portáteis “DeWalt”, e como tal não há dúvidas da sua praticabilidade ou economia.

As da EnerDel prometem uma estabilidade térmica sem precedentes, uma autêntica revolução da segurança na tecnologia de Lítio.

À medida que a (nano)tecnologia de Pilhas evolui, uma nova raça emergirá, tão potente como os SuperCaps, e mais energética que a melhor classe de Lítio.

Mesmo as tradicionais baterias de chumbo já não são o que eram; agora existem versões chamadas “Deep Cycle“, que permitem uma descarga de 100% sem danificar a bateria. Exemplos são as da Trojan e da Optima.

Aguardamos com impaciência o desenrolar desta novela.

Super-Ultra-Hiper-Condensadores: a nova bateria?

Ou mais simplesmente, “EESU” (Electrical Energy Storage Unit) conforme lhe chamam os seus criadores, a EEstor. Esta nova tecnologia (com 10 anos de desenvolvimento) está prestes a entrar em produção em massa, e tenciona revolucionar todo o mercado de baterias como nós o conhecemos. Trata-se de condensadores com a potência e longevidade já esperadas nestes dispositivos, mas com uma densidade energética 3 a 4 vezes superior à melhor tecnologia de Lítio, e mais baratos!!

Ora, esta revolução, a acontecer de facto, marcará a morte das baterias químicas para muitas aplicações (começando com a dos veículos eléctricos). A promessa destes senhores tem vindo a ser contestada por muitas entidades, mas eles não se incomodam e continuam a construir a primeira fábrica de alto volume de baterias-condensador, que já têm cliente destinado: os carros eléctricos ZENN, que serão os primeiros Veículos Eléctricos Puros capazes de enfrentar (ou exceder!) a mesma autonomia que um depósito de combustível líquido.

É sem dúvida uma afirmação de grande impacto; esperemos pelo fim de 2009 para verificar a realidade.

Entretanto, nada nos impede de construir VHEs ou mesmo VEs, porque apesar da energia específica das baterias ser bastante mais baixa que a da gasolina, esse facto pode ser parcialmente compensado pelo alto rendimento dos sistemas eléctricos face ao motor de combustão.

Estratégias energéticas

A partir do momento em que se instala num veículo duas fontes de energia, podendo uma transformar-se na outra ou em movimento, surge a necessidade de tomar decisões; quando usar uma ou a outra? Haverá algum critério especial que leva à máxima eficiência?

Em termos simples, as estratégias de controlo de energia da bateria classificam-se tradicionalmente em:

  • Consumidores (“Charge Depleting”): veículos que simplesmente consomem a carga da bateria até se esgotar; Os veículos eléctricos simples apenas podem operar neste modo.
  • Manutenção de carga (“Charge Sustaining”): veículos que procuram manter um determinado nível de carga, carregando a bateria quando esta necessita; Este é o modo de funcionamento dos híbridos comuns.
  • Modo misto (“Mixed/Blended Mode”): veículos que começam por actuar como consumidores, e mudam para manutenção de carga quando a bateria está abaixo de certo nível. É este o modo dos novos “Plug-in hybrids”.

Uma forma simples de classificar os VHE é o “Nível de Hibridização Eléctrica”, definido como a relação da potência eléctrica face à potência total do veículo, ou seja, Nhe = Pme / (Pme + Pmci). Portanto, para um veículo puramente eléctrico, temos um Nhe = 100%, e para um veículo normal a combustível temos Nhe = 0%.

Se aplicarmos esta classificação aos veículos aqui descritos, temos:

  • (P) Honda Civic: Nhe = 20 / (20 + 95) = 17 %
  • (P) Toyota Prius: Nhe = 67 / (67 + 76) = 47 %
  • (S) Cleanova II: Nhe = 35 / (35 + 20) = 64 %
  • (S) Mini QED: Nhe = 640 / (640 + 20) = 97 %

Logicamente, quanto maior for o Nhe, mais “limpo” e eficiente é o VHE.

Motores Eléctricos

Motores eléctricos há muitos. Mas com mais de 170 anos de evolução, o motor eléctrico dificilmente adquire inovações. Existem várias classificações para os motores eléctricos, sendo a mais popular a distinção entre Corrente Alternada e Corrente Contínua. No entanto, esta distinção não é particularmente útil, pois por um lado existem motores capazes de funcionar com as duas, e por outro, a corrente contínua é cada vez menos contínua e a corrente alternada é cada vez menos sinusoidal nos dias que correm, por causa dos controladores electrónicos PWM. Inclusivamente, existem os chamados “DC Brushless”, que são alimentados com corrente contínua, mas têm lá dentro um inversor electrónico para produzir a corrente alternada de que dependem. Este panorama não me parece nada claro.

Uma classificação mais útil é a que se relaciona com a sua constituição física. Quase todos os motores eléctricos têm um enrolamento ou bobine magnética instalado na carcaça (o Stator), que faz a excitação do núcleo rotativo (o Rotor). É na constituição do Rotor que se vêem as diferenças:

  • Motores Assíncronos ou de Indução:

    • Alimentados a corrente alternada;
    • O Rotor é um enrolamento curto-circuitado (“em gaiola de esquilo”);
    • O Stator induz correntes no Rotor, que por sua vez cria um campo magnético “reactivo” e reage com o do Stator;
    • Quanto menor for a diferença entre a rotação do campo do Stator e a rotação do Rotor, menor é a força do campo reactivo (e portanto do binário mecânico).
    • Na prática, a rotação do eixo será sempre um pouco abaixo da rotação do campo do Stator, dependendo apenas da carga mecânica aplicada.
  • Motores Síncronos de Magnetos Permanentes (MP):

    • Alimentados a corrente alternada;
    • O Rotor contém magnetos permanentes que geram o seu próprio campo magnético;
    • O Rotor acompanha sincronizadamente o campo do Stator;
    • O binário mecânico depende apenas da corrente aplicada ao Stator, e está constantemente disponível desde a velocidade zero. O limite superior da rotação depende das perdas provocadas pelas altas frequências e são ditadas pela construção de cada motor.
  • Motores Comutados, universais, ou de corrente contínua:

    • Alimentado a corrente contínua;
    • O Rotor é bobinado e produz o seu próprio campo magnético;
    • O Rotor é alimentado através de “escovas” comutadoras, que invertem a corrente a cada rotação, criando uma espécie de corrente alternada própria;
    • O Stator e o Rotor podem ser ligados:
      • Em série (“series-wound”); Binário constante para corrente constante; Responde ao aumento de carga mecânica baixando a rotação e a corrente;
      • Em paralelo (“shunt-wound”); Rotação constante para tensão constante; Responde ao aumento de carga mecânica aumentando a corrente;
      • Independentemente (excitação independente); Esta combinação é a mais flexível e permite controlar a velocidade e o binário independentemente, embora de forma não-linear.

Aqui apenas listei os tipos de motores mais interessantes para tracção eléctrica; existem ainda outros tipos, mas não são interessantes para este tipo de função.

É de notar também que os motores podem perfeitamente trocar a posição do Stator com o Rotor – serem alimentados e fixos pelo núcleo fazendo rodar a carcaça. Esta arquitectura é comum por exemplo nas ventoinhas dos computadores, e é muito conveniente para um motor-roda de veículo. É tudo uma questão de adaptação ao uso específico.

Esta categorização através da constituição física do Rotor faz sentido pois reflecte um dos parâmetros mais importantes na selecção de um tipo de motor para um VE ou VHE: a curva de binário mecânico. Para uma utilização segura e agradável, o binário do motor eléctrico deve igualar ou exceder as expectativas face ao MCI, não só em valor máximo, mas também na disponibilidade por rotação. Felizmente, como vamos ver, isso não é difícil.

Para começar, há um facto muito importante comum a todos os motores eléctricos de corrente alternada: o número de pólos magnéticos funciona um pouco como uma engrenagem mecânica redutora. Como exemplo, um motor com um par de pólos tem uma relação de 1:1 entre a frequência de alimentação e a rotação. Os que tiverem dois pares de pólos, apresentam uma rotação que é metade da frequência, mas têm o dobro do binário mecânico do modelo só com um par de pólos! Isto é muito conveniente, e por essa razão os motores de tracção costumam ter muitos pares de pólos, para aumentar o binário e reduzir a velocidade de rotação, eliminando a necessidade de uma engrenagem mecânica que introduziria peso e perdas.

Seguidamente, vejamos cada tipo de motor eléctrico.

Assíncronos

Os motores Assíncronos têm uma enorme robustez e um preço bastante baixo, mas também um comportamento demasiado “dinâmico”. O binário que produzem depende da diferença entre a velocidade de rotação do campo magnético produzido pelo Stator e a velocidade de rotação do Rotor, numa relação não-linear que pode ser observada na figura seguinte.

Deve-se manter em atenção que a velocidade mostrada não é a velocidade final do Rotor, mas sim a diferença entre a velocidade do Rotor e a velocidade do campo magnético do Stator. A figura acima pressupõe que o campo magnético gira constantemente a 1.200 rpm. Como se pode ver, existe sempre o perigo de o motor parar caso o binário resistente aumente; por isso deve-se operar os motores assíncronos no “ponto óptimo” situado depois da curva (neste gráfico, por volta das 1170 rpm), de modo a aumentar o binário automaticamente em caso de necessidade.

Ora, como a velocidade do Rotor depende da diferença entre o binário motor e o binário resistente da carga mecânica, temos aqui uma definição circular entre binário e velocidade! Isto quer dizer que o binário e rotação só serão conhecidos mediante uma carga conhecida, o que resulta numa engenharia mais difícil para um automóvel. No entanto, pode-se afirmar que esta curva de binário é parecida com a curva de um MCI, e isto torna o motor assíncrono num candidato aceitável para substituir directamente um MCI, desde que se mantenha a caixa de velocidades típica do automóvel para fazer a adaptação de binários. No entanto, o que procuramos é uma situação melhor, e não equivalente…

Síncronos

Os motores síncronos de magnetos permanentes são ideais para o uso em tracção eléctrica, e tanto o Prius como o Civic usam motores deste tipo. Existem várias vantagens em utilizar magnetos em vez de enrolamentos eléctricos:

  • fornecem energia magnética sem necessitar de alimentação eléctrica:
    • não consomem energia (excepto no seu fabrico);
    • não há necessidade de escovas ou anéis de contacto;
    • o binário mecânico disponível é constantemente o máximo;
  • não aquecem tanto como os enrolamentos, que são percorridos por corrente eléctrica e sofrem perdas por efeito de Joule;

O sincronismo entre o Stator e Rotor é outra vantagem muito cómoda para a tracção eléctrica, pois significa que para regular a velocidade do motor basta regular a frequência da tensão eléctrica que lhe é fornecida.

O binário mecânico é exemplarmente elevado nestes motores, mantendo-se disponível desde a velocidade zero até ao máximo que o motor der.

Infelizmente, o fabrico de magnetos permanentes de elevada intensidade magnética é caro, e como tal também o são estes motores. Existe uma outra variante destes motores, os de relutância variável, que diferem apenas no facto do Rotor ser composto por um núcleo de ferro em vez de magnetos. Esta constituição é típica nos “Step Motors”, e apesar de ser mais barata não oferece o mesmo binário nem a potência específica.

Comutados

Os motores comutados são o verdadeiro “pau-para-toda-a-obra” da electrotecnia. Funcionam com corrente alternada, corrente contínua, impulsos irregulares, ou praticamente qualquer forma de corrente. Porém, é com corrente contínua que evidenciam a maior eficiência energética. O sistema de comutação em escovas é um ponto de falha bastante precoce, pois sofre de desgaste rápido. Mesmo que as escovas de carvão sejam substituídas regularmente, o colector de cobre sobre o qual elas deslizam acaba por ficar danificado pela abrasão. No entanto, o facto é que este tipo de motor é mais barato de produzir do que os de magnetos permanentes, e na sua versão de excitação independente permite o controlo separado de binário e velocidade, o que é apropriado à função de tracção automóvel. Mais ainda, por poderem ser alimentados directamente por corrente contínua, prestam-se a sistemas de controlo bastante simples (e até rudimentares) com bastante eficácia. Quanto à travagem regenerativa, ela é impossível de obter num motor com excitação série ou paralelo simples; já o motor de excitação independente pode perfeitamente gerar potência durante uma travagem, desde que o Stator permaneça excitado externamente, o que é pouco eficiente comparado com os motores de MP.

Um pouco pelas mesmas razões que nos levam a escolher as baterias de Lítio, a melhor tecnologia de motor eléctrico para aplicação em híbridos é a síncrona de magnetos permanentes. Para além das vantagens de binário mecânico já apresentadas, estes motores fornecem a maior potência específica e também a maior eficiência energética. A sua longevidade, apesar de não ser tão longa como a dos motores assíncronos (por causa da desmagnetização dos MPs), é maior que a dos comutados e ainda assim largamente maior do que a de um automóvel.

Conclusões

A conclusão imediata é que a tecnologia de veículos híbridos é tão complexa quanto se desejar; As soluções existentes vão desde o radicalmente simples até ao artisticamente complexo, mas os resultados não variam muito nos modelos comercializados neste momento, e são desapontadores face às possibilidades. O facto é que um híbrido paralelo comercialmente disponível pode mesmo ser ultrapassado (em eficiência energética) por um automóvel “tradicional” bem concebido, como por exemplo o VW Lupo 3L, que apenas consome 3 L / 100 km (de gasóleo), ou o BMW 118d, que se fica pelos 4,7 L / 100 km (também a gasóleo). O que torna a situação incómoda para os híbridos paralelos actualmente vendidos é que a simples aplicação de melhor engenharia aos automóveis “normais” (redução de peso e substituição dos componentes e sub-sistemas pouco eficientes por outros melhores) resulta em poupanças superiores às dos híbridos. Isto sugere que está na altura de introduzir os híbridos Série como solução mais eficiente, ou então desistir dos híbridos. Alternativamente, pode-se afirmar que os construtores simplesmente não se estão a esforçar por obter melhores resultados, e sim por mais marketing “verde”…

Outra coisa que salta à vista é a necessidade de melhorar o dimensionamento. Os condutores de automóveis estão “mal-habituados” por uma indústria que apela ao ego individual através da potência que se esconde debaixo do capot, quase sempre excessiva para a utilização quotidiana que realmente é feita. É comum um veículo de combustão ter um motor de mais de 70 Cv, e no entanto raramente irá ser necessário exceder os 35 Cv. Quando enquadramos os desportivos e SUVs nestes parâmetros, então vê-se o enorme desperdício de capacidade instalada e correspondente ineficiência.

Os veículos eléctricos e VHEs devem dispensar estes excessos e fornecer uma potência adequada à utilização real. Para mais, os dois tipos de motor têm naturezas muito diferentes e dão origem a curvas de potência e binário bastante diferentes. Os motores utilizados em tracção eléctrica (de magnetos permanentes ou excitação independente) têm tipicamente um binário máximo disponível desde a velocidade zero até à velocidade máxima, o que contrasta bastante com o binário máximo às ~4.000 rpm de um MCI. Esta diferença para em relação aos MCI tem um grande impacto no dimensionamento de um VHE, pois em certas situações consegue-se efectuar o mesmo trabalho de propulsão com um motor eléctrico menos potente que o MCI original. As limitações do motor eléctrico só se tornam aparentes nas altas rotações, ou seja, na auto-estrada.

Dadas as poupanças energéticas conseguidas pelo dimensionamento sensato do sistema, eliminação de desperdícios supérfluos, e definição de boas políticas de gestão de carga da bateria, estou convencido que é possível desenvolver VHEs Série com um preço aceitável.

Oportunidades

Na minha opinião, penso que fazem falta na Europa serviços de conversão de automóveis em híbridos. O parque automóvel actual ainda vai continuar a circular durante mais 4 a 10 anos, e é um terreno fértil para o negócio de conversão, que já existe nos EUA há mais de 20 anos. Apesar de ser tradicionalmente um mercado de nicho, demasiado caro para massificar, existem boas razões para investir numa conversão para veículo híbrido:

  1. A redução da emissão de poluição é notória, o que satisfaz aqueles de nós que se preocupam com a saúde pública e a sustentabilidade económica;
  2. A poupança no consumo de combustível é bastante visível, mas tipicamente o custo de conversão só é amortizado no fim de vida das baterias. Isto pode anular (ou não) a razão económica para uma conversão, dependendo do custo das mesmas.
  3. A vida útil de um automóvel pode ser largamente expandida com base numa conversão híbrida; normalmente a primeira parte a “dar de si” ou a ficar obsoleta é o motor e respectivos sistemas auxiliares; se estes forem substituidos por uma tracção eléctrica, o automóvel ganha uma nova vida, pois a carroçaria costuma estar em bom estado. Isto evita o investimento num novo automóvel inteiro.

Partindo do pressuposto que apenas defendo a conversão para híbrido Série, as opções de conversão que considero mais realistas são:

  1. “Híbrido Barato – completamente centrado na poupança financeira, este modelo tenciona converter um automóvel para VHE com ênfase nos seguintes aspectos:
    1. Aproveitamento total de todo o material já existente no veículo;
    2. Adição de material eléctrico de potência reduzida, para uso citadino apenas, conferindo um novo “modo eléctrico” ao veículo; tipicamente motores de corrente contínua (bobinados) de baixa tensão, algumas baterias de chumbo, e controladores PWM muito simples e baratos.
    3. Funcionamento mutuamente exclusivo entre modos Combustível / Eléctrico, para simplicidade e segurança; equivale a um híbrido Série “ocasional”, pois as duas tracções nunca colaboram juntas na motricidade;
    4. Carregamento primário da bateria por meio de tomada residencial, secundário pelo alternador embarcado, terciário por travagem regenerativa;
    5. Os ganhos serão modestos, mas visíveis, e podem prolongar modestamente a vida útil do veículo e diminuir a manutenção, principalmente se for muito usado em trânsito citadino.
  2. “Híbrido Perfeito” – completamente centrado na eficiência energética e redução de poluição, este modelo tenciona converter um automóvel para VHE da seguinte maneira:
    1. Remoção de todo o conjunto motriz original, incluindo motor de combustão interna e transmissão completa até às rodas;
    2. Adição de propulsão eléctrica de potência equivalente à original (não confundir com “igual”), de modo a manter as características do veículo tanto na estrada como na cidade;
    3. Escolha dos componentes eléctricos centrada na eficiência total do sistema; tipicamente motores-roda síncronos de magnetos permanentes, baterias de Lítio, talvez SuperCondensadores, e inversores PWM de alta eficiência, todos de alta tensão para evitar perdas por grandes correntes;
    4. Adição de um pequeno grupo gerador (MCI e gerador eléctrico) dimensionado apenas para a manutenção da carga da bateria perante um perfil de utilização típico, e afinado num regime de emissões gasosas verdadeiramente “amigo do ambiente”. De preferência a gasóleo, não só porque consome menos que os congéneres a gasolina, mas também para poder usufruir da entrada iminente do Biodiesel no mercado dos combustíveis. A gasolina também seria opção, mas o Bioetanol ainda não está previsto para chegar ao nosso mercado.

E pronto, por hoje já chega. Aqueles que ainda não estiverem a dormir, podem ir brincar para o recreio!😉


20 Respostas to “Veículos Híbridos Eléctricos: Estado da arte em 2007”

  1. Meu caro “Pardal”, a quantidade de “equívocos” no seu texto é tão extensa que merece reparo. Cuidado que está a passar informação incorrecta em massa, baralhando ainda mais quem procura informação sobre a tecnologia!

    Não posso deixar de observar que para quem não tem nem conduz um híbrido (teve de perguntar aos seus vizinhos qual o consumo) é capaz de estar a querer dar um passo maior do que a perna ao escrever um artigo tão extenso e aprofundado… é que a quantidade de “equívocos” é proporcional à extensão do dito…😦

    Não sei se terá tempo e/ou interesse em corrigir os seus equívocos neste espaço, ou noutro espaço eventualmente, mas estou disponível para o ajudar nessa tarefa.

    Diga de sua justiça, se estiver interessado, posso debater este assunto consigo. Pelo menos pelo interesse que revela pela área, poderá eventualmente estar interessado.

    Como um ex-colega me diz que o sr. trabalha na mesma empresa que eu, até pode ser fácil esclarecer tanto engano, ao vivo e a cores.

    Procure o meu nome no SCD 😉

    Abraço,

    João Prates

  2. Ora vejamos, então!🙂

  3. Ja agora, para “defender a minha dama”, aqui vai o link para um Wiki-artigo interessante sobre a historia do Ford Escape Hibrido: http://en.wikipedia.org/wiki/Ford_Escape_Hybrid.

    Eis um excerto: “The Escape Hybrid uses technology similar to that used in Toyota’s Prius. Ford engineers realized their technology may conflict with patents held by Toyota, which led to a 2004 patent-sharing accord between the companies, licensing Ford’s use of some of Toyota’s hybrid technology in exchange for Toyota’s use of some of Ford’s diesel and direct-injection engine technology.”

  4. Vasco, como isto dá pano para mangas, e como o tempo não é muito, vou tentar escrever um pouco todos os dias à noite. A ver se isto dá para enfiar aqui tudo… acho que a resposta ainda vai ser maior do que o teu artigo LOL.
    Vou mandar-te o texto por email, é mais fácil, ok? Podes editar a página directamente e colar aqui da forma que achares melhor.
    Grande abraço, e aparece no Prius-PT, o Pedro já lá anda com o Ford Escape dele😉

  5. olá,
    estou a fazer um trabalho sobre essa area. posso retirar dados? já foi rectificado?

    Obrigado

  6. Filipe: o meu texto não pretende ser autoritário, ou seja, não pode ser encarado como absolutamente correcto. Aliás, tem muitas opiniões pessoais.
    Tens toda a liberdade de usar esta informação, no entanto, já que é para um trabalho, aconselho-te VIVAMENTE a fazeres uma investigação com base em outras referências, para além desta.
    Rectificado?… se te referes aos comentários do João Prates, não, não foi rectificado, pelo simples facto de eu não concordar com as opiniões emitidas por ele. Eu falei com ele na esperança de aprender alguma coisa (e com isso corrigir o meu artigo) mas infelizmente ele apenas tinha opiniões para transmitir, e não factos que contradigam o meu texto.

  7. Opiniões??? Só podes estar a brincar! E se era assim porque é que não mo disseste quando almoçamos juntos??? Disponibilizei-te informação da Toyota e de entidades independentes, dei-te acesso ao nosso site do grupo Prius-PT e sei lá mais o quê! Para uma pessoa que nem sequer sabe como funciona o sistema HSD da Toyota, vires para aqui dizer que os outros que percebem da engenharia só têm uma “opinião” e que tu que não vês um boi daquilo é que sabes… enfim, nem sei porque me dou ao trabalho de escrever isto.
    Esta é a tua casa, aqui tu dizes o que quiseres, és dono e senhor, portanto quem está mal sou eu, “goodbye Maria Ivone”, fica lá com a tua arrogância e santa ignorância.

  8. Chiça, deves ser bruxo!!! ainda hoje estive a reler este artigo e a pensar se o devia corrigir…

    Caro João:
    Talvez eu até seja tão ignorante e arrogante como dizes (e pelos vistos estou em boa companhia aqui na web); no entanto, não gosto de mal-entendidos, por isso vou tentar pôr os pontos nos ii.

    Em primeiro lugar, agradeço-te sinceramente o facto de teres demonstrado uma enorme abertura e boa-vontade ao conversares comigo em pessoa e convidares-me para o grupo prius-pt. Foram gestos sinceros e dinâmicos que muito apreciei.

    No entanto, no que toca à conversa que tivemos, mantenho o que aqui afirmei – já não me lembro exactamente dos pormenores de há 8 meses atrás, mas recordo-me perfeitamente da sensação clara de ter estado perante alguém cujo fascínio e deslumbramento por algo que era um novo produto (e não uma nova tecnologia) lhe toldava completamente a imparcialidade do raciocínio. Ora, longe de mim querer “rebentar a tua bolha”; se estás assim tão feliz por ter um Prius, óptimo!! São pessoas como tu que impelem os fabricantes a mudar para melhor! Mas no que toca aos pormenores técnicos, que tentei começar a discutir contigo nessa altura, lamento muito, mas a conversa não teve pés nem cabeça. Desculpa, mas não levo a sério quando alguém que confunde velocidade angular com binário motriz me classifica como ignorante em engenharia…

    A única crítica tua que aceitaria (se a tivesses feito), seria a de não ter participado activamente no prius-pt. De facto, devia ter-me esforçado mais, pois aí havia concerteza potencial de aprendizagem. O teu grupo é valioso por várias razões, tanto pelo trabalho de recolha de informação que faz, como pelo espaço de discussão e partilha, como pela abertura em deixar participar todos os interessados, quer tenham Prius, Honda, ou só interesse. Basicamente, eu não o aproveitei para este artigo porque tive preguiça de começar o trabalho de investigação todo de novo… é que já tinha gasto 2 meses a escrever o artigo, e a pouca informação que consegui filtrar do teu grupo não parecia contradizer o que eu já tinha digerido.

    Ainda hoje continuo à espera que me apresentes uma pequena e simples lista objectiva daquilo que consideras errado no que escrevi. Bastam os 5 principais pontos, nada mais.
    Vou dar-te uma ajuda, agora que também já aprendi qualquer coisa entretanto:
    1 – a minha classificação do Prius como “paralelo” estava errada, pois ele tem uma transmissão “combinada” (mas mantenho a minha preferência pela transmissão série);
    2 – a comparação directa entre Prius e Civic não é justa; o Prius é um “full-hybrid” (embora um pouco marreco), e o Civic é um “mini-hybrid” e portanto têm objectivos e mercados-alvo diferentes;
    3 – acho que algures digo que os motores de indução não permitem travagem regenerativa, mas isso não é verdade, como se comprova no Tesla Roadster.

    A área onde a minha ignorância é maior, e onde tu e o grupo me podem ajudar, é na gestão electrónica que o computador do HSD faz. A mecânica e a electrotecnia do Prius são simples de entender, para um engenheiro. No entanto, é nos algoritmos de controlo que está o verdadeiro ganho do Prius… são os critérios de escolha do fluxo de potência que transformam a transmissão híbrida combinada num bom ou mau sistema. E é aqui que eu falhei completamente na minha análise, pois não abordei o assunto com a seriedade necessária.

    Bom, fica aqui a promessa de um dia corrigir os erros mais enganadores, para que o estrago no conhecimento público não aumente muito mais…😉

  9. Finalmente consegui ter disponibilidade para corrigir este artigo.
    As alterações que achei por bem fazer foram:
    – reclassificação do Prius e do Civic como transmissão combinada, em vez de paralelo;
    – reclassificação do Cleanova como combinado, em vez de série;
    – reapreciação da minha opinião sobre a transmissão combinada, logo a seguir ao Prius;
    – acrescento de uma nova secção intitulada “Super-Ultra-Hiper-Condensadores”, no fim da “Falta de Pilhas”.
    Mais que isto não vale a pena fazer, pois o conteúdo deve permanecer circunscrito ao ano de 2007.

  10. Oi.

    Ainda não tive tempo para ler a fundo o teu artigo que é bastante extenso. Uma coisa que me chamou a atenção foi a seguinte afirmação:

    “A realidade é que é economicamente mais suportável revolucionar o parque automóvel de uma só vez (em poucos anos) com tecnologias limpas, do que “limpar” as centrais eléctricas, pois o custo dos automóveis é distribuído pela população.”

    Não li bem, mas parece-me que esta afirmação te serve de premissa para justificares que um veículo híbrido será sempre menos poluente que um veículo puramente eléctrico.

    Gostava que fundamentasses melhor esta afirmação. Na minha perspectiva será exactamente o contrário. Se o caminho seguido fosse o dos veículos híbridos preterindo os eléctricos puros cada veículo seria sempre uma fonte de poluição. Com o avançar das inovações ao nível da produção de energia em larga escala, por exemplo, através da captura de CO2 com pilhas de algas colocadas directamente nas chaminés, ficaríamos sempre com uma fonte de poluição dispersa sob a forma dos veículos híbridos. Há que ter em conta ainda que o rácio de produção eléctrica através de fontes renováveis versus a produção através de fontes poluentes tem tendência a melhorar.

    A minha perspectiva é a de que será sempre mais fácil reduzir os níveis de poluição em fontes centralizadas do que em fontes dispersas.

  11. Paulo: não é de forma alguma minha intenção defender o indefensável.🙂 Eu preferia claramente que andássemos todos em veículos eléctricos, e que as nossas centrais fossem todas nucleares ou de energia renovável.

    No entanto, no que toca à evolução que é possível fazer, de um ponto de vista pragmático, considero que:
    1 – os veículos híbridos são um mal temporário necessário, pois as mentalidades (tanto dos fabricantes como dos consumidores) mudam demasiado devagar, e “as pessoas” parecem precisar de pequenos passos evolutivos, desconfiando profundamente de todo o grande salto qualitativo; Há mais de 50 anos que a tecnologia existe para andarmos em veículos eléctricos sem problemas, mas o petróleo barato e monopolizado e a inércia e ignorância do próprio público mantiveram-nos na pré-história dos transportes até hoje.
    2 – Os governos (todos eles) são demagógicos por necessidade de sobrevivência; este triste estado de coisas leva à (omni)presente situação em que nada daquilo que é necessário se faz sem manifestações com mortos ou ameaças terroristas ou pelo menos uma ou outra campanha de difamação capaz de fazer girar os assentos dos poderosos.
    3 – A Indústria é a razão de existir do Estado. É para proteger o tecido económico que todos os governos se mexem (ou se mantêm quietos). Sem pão, não há paz (nem controlo). Por isso, quando as necessidades das famílias e PMEs e as necessidades das grandes indústrias entram em conflito, eles escolhem sempre favorecer as últimas.
    4 – Segue como corolário que não podemos contar com o poder central nem com a própria indústria já estabelecida para efectuar as alterações sócio-económicas necessárias (neste caso, a “limpeza” das centrais energéticas de uma vez por todas e a instauração EFECTIVA de uma política energética bem pensada e equilibrada). A nossa melhor aposta está em jogar pelas mesmas regras, ou seja, influenciar o mercado. As pessoas não ligam nenhuma na hora de votar politicamente e abstêm-se frequentemente, mas quando toca a “votar com a carteira”, pensam sempre muuuuuitas vezes antes de decidir.

    A minha atitude pragmática então só pode ser esta:
    – sim, existem muitas alternativas “limpas” de geração de energia que são realistas e executáveis;
    – sim, o veículo eléctrico é a escolha sustentável óbvia para os transportes urbanos (e não só);
    – não, essas mudanças não serão exercitadas pelo poder central nem pelas grandes indústrias, pois os custos são para eles inaceitáveis e o rendimento sobre o investimento já feito ainda não foi recuperado.
    – Restam-nos as PMEs e StartUps como salvação, com o espírito inovador e de preferência disruptor que lhes é característico. Venha de lá o ZAP com EESU, se faz favor!!! E aí nós votamos com a carteira!!

    Mas enquanto que a revolução tarda em acontecer, temos mesmo de engolir as tretas que as Toyotas e Hondas deste mundo no alimentam diariamente…

  12. Qu eme dizes a isto?
    http://ultimahora.publico.clix.pt/noticia.aspx?id=1334895&idCanal=63

  13. Digo… “de boas intenções está o inferno cheio.” Até ver as consequências efectivas a acontecer na minha vida, não vou dar grande importância a “memorandos políticos”. Há sempre uma grande distância entre a intenção política e a prática quotidiana…

    Por outro lado, é uma verdade efectiva que o nosso país parece estar no bom caminho, pois para além dessa boa intenção (copiada demasiado tarde dos governos americanos e norte-europeus), é um facto que temos uma grande percentagem de fontes renováveis entre as nossas centrais eléctricas…

    Começo a pensar em alterar o meu projecto de híbrido em projecto de eléctrico puro…

  14. eu formo parte de uma empresa no brazil e gostariamos de desenvolver un carro hibrido pequeno para comercialisacao
    e estoy relacionado com empresas chinesas de carros
    gostaria de formar uma equipe para este projeto
    se interesasr por favor mandar email

  15. Caro Vasco Nevoa, apreciei nao só o teu artigo como tambem a forma como lutas pelos nossos ideais e defendes o teu ponto de vista. Portugal luso, o verdadeiro e genuino, precisava de mais infantes como tu. Basta de espanhois a norte e mouros ao sul! Espero ver o teu veiculo electrico pronto no proximo encontro de alucinados, quem sabe se num restaurante indiano que sirva comida italiana. Cá em Braga temos um restaurante chines que tem sushi, o que equivale ao artesanato espanhol a vender tapetes de Arraiolos. Claro que os indianos já fazem, mas a qualidade é semelhante aos veiculos electricos chineses. Abraços.

  16. Bom dia, somos um grupo de alunos do ISCSP, que por um acaso vai fazer um trabalho sobre o Toyota Prius, no âmbito da disciplina de pesquisa de Marketing. Posso já adiantar que o seu artigo foi de uma utilidade extrema para a apresentação do projecto. Mas o grosso do trabalho ainda está por fazer, e gostaríamos de saber se podíamos contar com a sua ajuda, tendo em consideração que sem dúvida percebe mais do assunto do que nós:)Em baixo estão uns tópicos que teremos de responder, se tiver alguma informação que nos possa ser útil, ficaríamos muito agradecidos.
    Pesquisa de Marketing
    Formulação do problema:
    • Quais as razões subjacentes ao desempenho de vendas do Toyota Prius em Portugal?
    Definição da população a estudar:
    • População Nacional;
    • Quem já possui um Toyota Prius;
    • Quem não possui um Toyota Prius.
    Inventariação das necessidades de informação:
    • Evolução de vendas;
    • Caracterização sócio‐demográfica do consumidor;
    • Motivações do consumidor;
    • Quem não consome e porquê;
    • Caracterização do produto;
    • Caracterização dos produtos da concorrência: Toyota Prius vs Honda Civic Híbrido
    Desde já, muito obrigada🙂

  17. Cara Ana:
    Por mais que eu queira ajudar, receio que o marketing seja uma área em que não tenho qualquer competência para opinar. Para além disso, também não sou um consumidor típico nem sou classificável dentro das demografias que os “marketers” normalmente analisam… sou um “geek”, ou um “power user”, ou um “hacker”, conforme o contexto do produto, o que me torna praticamente imune à publicidade e indiferente às marcas e àquilo que o mercado quer, e portanto também não posso ajudar a entender os “porquês” que me pediu – eu também mal os entendo.
    Posto isto, resta-me desejar-vos boa sorte e sugerir que o fruto do vosso trabalho seja publicado na web, de modo a que outras pessoas como eu possam também entender o fenómeno.🙂

  18. Caro Bluesky:
    Bemvindo à minha humilde casa! Pensei que o fórum nova energia te consumia todo o tempo!🙂
    Obrigado pelo elogio… eu apenas tento fazer aquilo em que acredito: melhorar o mundo não é difícil, se todos fizermos a nossa parte. Eu estou a fazer a minha – tento tornar públicos os bons exemplos, e tento tornar um pouco mais acessível a tecnologia subjacente (o marketing enganador precisa de um Némesis esclarecedor). Se tenho sucesso ou não, o tempo o dirá… pelo menos vou tentando, e isso põe-me bem com a minha consciência.🙂
    Pelo pouco que conheço de ti, sei que entendes perfeitamente o que digo.😀
    Toca a trabalhar, o futuro não espera!!!!

  19. Boa noite.

    Sou brasileiro (lingua portuguesa diferente), mas possivel de entender. Pois bem, no tempo vago procuro na web dados importantes e seu comentario é digno de aplausos.

    Concordo com quase tudo, isto porque tenho uma boa supresa, os motores eletricos podem evoluir muito, vão ser a sensação nos proximos anos. Um motor eletrico com novas tecnologia podem produzir a mesma potencia e consumir 60% menos energia.

    Concluimos um prototipo (na verdade 12), motor que consumiria 6.600w/h e que necessita de apenas 2.000w/h aproximadamente, é motor para veículo, a autonomia triplicará ou mais comparados com os melhores motores de veículos atualmente utilizados.

    Tecnologias estão disponiveis, no entanto a visão dos projetistas é muito centrado e não permite uma visão ampliada da utilização da corrente eletrica utilizada. Aqui no Brasil um grupo de empresarios estão se mobilizando para industrialização em massa destes motores, não pretendemos criar nenhum modelo de veículo, queremos possibilitar a conversão de veiculos.

    Continue publicando seus belissimos trabalhos, são muito úteis.

    • Edegar, muito obrigado pelo elogio, e muitos parabéns pelo trabalho desenvolvido na área dos motores.
      Este artigo foi escrito há cerca de 2 anos, e entretanto tive oportunidade de aprender muito mais sobre motores eléctricos no âmbito do meu mestrado em eng. electrotécnica. No entanto, aquilo que tenho visto é surpreendente pela negativa: a ciência e a tecnologia estão décadas à frente do mercado. Muitas décadas mesmo, às vezes até um século.😦
      A verdade é que há sempre uma patente ou um artigo científico publicado no passado (muitos deles aí no Brasil) que descreve as optimizações e evoluções que muitos indivíduos anunciam como “a nova revolução que aí vem”, mas depois nada acontece. O problema é para mim grave, pois acontece repetidamente ao longo da história. Existem muitas barreiras práticas que impedem um novo design de motor eléctrico (ou qualquer outra tecnologia realmente nova) de entrar no mercado. Um deles é o factor “good enough”: se aquilo que existe funciona relativamente bem, então para quê inovar? temos é de baixar o preço. Com esta mentalidade perpetuou-se o motor de combustão durante mais de 100 anos. Não é por acaso que as inovações sobre motores de combustão passaram milagrosamente a aparecer agora, permitindo que passasse dos 18% a 25% para os 35% a 50% de rendimento nos últimos 10 anos; foi a pressão competitiva dos veículos híbridos e eléctricos e a subida do petróleo que forçou os fabricantes a “mexerem-se”, recuperando toda a investigação já feita no passado. É assim que funciona a economia, infelizmente. E pelo que tenho visto, o mesmo se passa na área dos motores eléctricos: as máquinas vendidas hoje em dia pouco evoluíram em design desde há 100 anos atrás. A culpa é da própria qualidade dos motores, que sempre tiveram rendimentos entre 60% e 95% facilmente. O problema é agora descobrir como cobrir os últimos míticos 10% (entre 90% e 100%) de forma económica; já existe disponível um manancial de informação esmagador sobre o assunto – a dificuldade está em escolher e pôr na prática. O mesmo raciocínio se aplica aos conversores electrónicos de potência, que são parte essencial num veículo eléctrico. Concordo consigo quando fala de projectistas demasiado focados: sistemas trifásicos com 80% a 90% de rendimento são a norma. Mas se tanto o motor como o conversor tiverem 90% de rendimento então 90% X 90% = 81%, e se estivermos a contemplar a travagem regenerativa, esse caminho é percorrido 2 vezes, ou seja, 81% X 81% = 65% de rendimento de sistema. E ainda não metemos as baterias no assunto, com os seus cerca de 70%, tornando o panorama bem triste… é por isso que cada ponto percentual é precioso nesta indústria: nós damos um tratamento completo à energia.🙂
      É por isto que eu aplaudo o vosso esforço de desenvolvimento e mercado; é difícil encontrar pessoas que se atrevem a sonhar mais longe e com força suficiente para conseguirem chegar ao fim. Espero que tenham a consciência de que o mercado é desconfiado e cínico, e que os “incumbentes” (a concorrência já estabelecida) se aproveitam disso. Tenham a perseverança para chegar ao fim. Desejo-vos a melhor sorte, e espero ouvir falar desse projecto e desses produtos em breve nos media.
      Quanto ao meu artigo, tenho a certeza que muito melhor se poderia fazer, mas eu próprio não tenho o tempo nem a paciência para revisitar toda esta matéria. Talvez um dia destes…😉
      Entretanto, se desejar ver outros desenvolvimentos nesta área, pode visitar o meu projecto.

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