segunda-feira, 11 de abril de 2011

Como fazer seu próprio carro elétrico - BATERIAS

Este é o primeiro post da série "Como fazer seu próprio carro elétrico". A ideia é que cada frente de trabalho (Mecânica, Elétrica, Design e Planejamento) fale de sua participação no projeto e construção do veículo utilitário da UFRJ: dos objetivos, do modus operandi, das dificuldades e compensações.

Em termos de Elétrica, é nossa a responsabilidade do projeto das baterias, qual tipo de célula escolher, quantas delas e como efetuar as ligações (com uma boa ajuda do Design!). A seguir, verificamos o desempenho que esperamos alcançar: torque, velocidade - logo, potência - e qual modelo de motor nos atende. Nessa altura, debruçamo-nos novamente sobre a questão de bateria e verificamos a compatibilidade entre as partes. Por fim, a etapa mais importante: o Controle/Instrumentação. Uma vez definido o conjunto de baterias e motor, passa-se a conhecer as limitações de cada componente e os cuidados a serem adotados durante a operação em diversas condições. Em outras palavras, a Instrumentação não somente zela pela segurança do equipamento e dos usuários, como provê dados para um controle melhor. Este, por sua vez, representa a contribuição da Elétrica na eficiência do veículo, assim como a Mecânica contribui em suas transmissões, o Design no projeto estrutural, etc. Nos próximos parágrafos isso se tornará mais claro. 

Acredito que seja intuitivo para muitos - inclusive pra mim - que o processo de estudo, modelagem e escolha das partes elétricas de um carro elétrico começasse pelo motor. Não é um total engano, mas também não é um total acerto. Na verdade, os processos para determinação das baterias e do motor são, por algum tempo, independentes, e mais na frente é que se "encontram". Para as baterias, a etapa independente começa com um estudo das principais definições que todo projetista deve saber: carga, capacidade, energia específica, entre outras. São grandezas simples de se entender. Um exemplo: a taxa C. Em nosso projeto contamos com dois conjuntos de baterias de 48V e 20Ah (tensão e capacidade, respectivamente), cada um capaz de atingir uma taxa de descarga 5C. Isto significa, na prática, que nossa bateria pode entregar uma corrente até 5 vezes maior que a capacidade nominal. Neste exemplo, 5x20 = 100A. O "preço" é que o tempo disponível de bateria decai a uma proporção ligeiramente maior. Em outras palavras, se operarmos com 100A, nossa bateria de 20Ah resistirá por algo em torno de 10 minutos - a relação com o tempo não é exatamente linear.

Conhecidas as definições, seguimos para o estudo dos diversos tipos de baterias, sendo as principais o chumbo ácido, Níquel-Cádmio, Niquel-Metal-Hidreto (NiMH) e as famosas íon-Lítio. Cada tipo pode ser diretamente comparado em função de suas densidades de energia (quantidade de energia que cada uma pode conter num mesmo "espaço"), ciclos de recarga, auto-descarga e outras características menos matemáticas, vamos assim dizer, como o efeito memória ("vício" da bateria resultante de cargas e descargas feitas com pouco cuidado, ocasionando a diminuição da capacidade de armazenamento). Infelizmente ainda não existe o tipo ideal de baterias para um veículo elétrico, sendo elas uma das "rés" do famoso (pelo menos pra nós) documentário "Quem matou o carro elétrico", de 2001. Apesar disso, um tipo vem se aproximando muito do ideal: íon-Lítio. Já presente em celulares, notebooks e outros eletrônicos dependentes de baterias, não poderia ser diferente em carros elétricos. A estrutura é simples: um catodo (lado positivo) composto por um óxido metálico de Lítio e um anodo (lado negativo) de Carbono, separados por uma substância condutora, a qual permite o trânsito de íons entre os dois pólos, seja na carga ou na descarga. Vejam a figura:

Retirado do site “Battery University”, de Isidor Buchmann – Cadex Electronics Inc.


Em termos de baterias, é o tal óxido metálico do catodo que confere a energia e a capacidade de entregar potência. Os mais comuns nas baterias de Lítio hoje em dia são o óxido de Lítio Níquel Manganês Cobalto (NMC), Ferro Fosfato, Níquel Cobalto Alumínio e Titânio. A comparação entre esses tipos é mais acirrada, tanto que os carros elétricos, híbridos ou puros, declaram suas baterias como "íon-Lítio", sem especificar o íon. Em nosso projeto, os parâmetros de custo (baterias de íon-Lítio são mais caras que as demais, porém dentre elas também podem haver diferenças significativas de preço),  segurança e densidade de energia foram os responsáveis pelo "desempate". Para o veículo da nossa universidade, o tipo preferido é a de Fosfato de Ferro Lítio (LiFePO4). Já temos dois conjuntos deste tipo, e pretendemos fazer novas aquisições (muito provavelmente adotando um modelo de célula mais robusto) em breve.

Conhecidas as definições e os tipos, aos cálculos! Tal como em um veículo convencional existe um parâmetro de consumo, dado por quilômetros percorridos com um litro de combustível, os veículos elétricos marcam seu consumo em quilômetros percorridos por Watt-hora (Wh), aquela mesma unidade que encontramos em nossas contas de luz. Em média, o consumo de um carro de passeio, caso seja elétrico, é da ordem de 200Wh/km. Sabendo-se disto, quanto queremos andar?

Nosso utilitário elétrico será um prestador de serviços gerais para nossa Universidade (em especial serviços sustentáveis, como o transporte de materiais reciclados) e terá seu trânsito restrito ao nosso principal campus: a Cidade Universitária, localizada na Ilha do Fundão. Com uma ajuda do Google Maps, traçamos um percurso que beneficiasse os principais Centros e Faculdades, bem como o Hospital Universitário:



Com uma simples multiplicação entre percurso e consumo, obtivemos nossa energia necessária, e foi um valor próximo de 8kWh. Se alguém efetuasse essa conta, concluiria que estamos demandando mais energia do que a matemática dita. Entretanto, as baterias perdem muito de sua vida útil quando submetidas a descargas completas. O recomendável é que não se vá abaixo de 20% de sua carga. Esta etapa, da projeção de energia necessária para um dado percurso, conclui a parte independente do estudo das baterias. É também a este ponto que se retorna quando um motor é escolhido, de forma que se confirmem os dados de consumo.

Agora, as decisões tomadas têm relação direta com a escolha do motor. Uma delas é a tensão do conjunto de baterias. Em carros elétricos, tensões de 12 e 24 Volts são evitadas. Isso decorre do fato de que o motor tem uma determinada potência, e esta é produto entre tensão, corrente e eficiência. Tensões baixas implicam em correntes mais elevadas, as quais levam a perdas por dissipação de calor nos cabos, por exemplo. A partir de 48V já se pode trabalhar bem e será esta a tensão para nosso primeiro veículo. Esta escolha foi feita sobretudo pensando na nossa segurança: como teremos que fazer ligações, medições e outros manuseios com a bateria, quanto menor for a tensão, menores os danos causados por um eventual acidente ou choque elétrico. E onde está a relação direta com o motor? No caso da tensão, é esta que determina as rotações que o motor será capaz de produzir. Em outras palavras, a tensão das baterias influenciam diretamente na velocidade do veículo! Indiretamente, contribuem também na aceleração pois, através das reduções mecânicas sobre as rotações, ganha-se em torque, gerado inicialmente pela corrente aplicada sobre o motor! Em suma, um motor elétrico pode trabalhar na região hachurada do seguinte gráfico (qualitativo) de RPM's por torque - lembrando que o aspecto da curva pode variar de motor pra motor:

                        


Cabe a nós, projetistas, escolher em que ponto queremos trabalhar. Este ponto é o que "contém" as especificações do conjunto de baterias do nosso carro elétrico:

                      


E eis a dependência entre baterias e motor, componente tema do próximo post de nossa frente de trabalho. 

A caminho da construção de um veículo elétrico!

Luiz Fernando

4 comentários:

  1. Olá Prof.
    Sou aluno do CEFET-RJ. Tenho interesse em veículos leves elétricos com geradores a pedal ou fotovoltaicos. O Keppe Motor(Brasileiro), é capaz de economizar até 90% de energia em relação a um equivalente. É um motor-gerador, trabalha a frio. Gostaria de saber se já o conheces. E gostaria de ter acesso aos valores dos gráficos do post para poder especificar um motor também.
    Abraços SAULO bigsaa@gmail.com

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  2. 0la meu nome é Sandro estou progetando um pequeno carro elétrico utilizando o corpo de um motor de moto 150cilindradas e acredito que será possivel movelo a uma velocidade de mais de 80km p h e não será preciso recarregar na tomada.só estou dependendo de mandar fazer uma coroa dentada e um eixo para adaptar um pinhão acredito que vai dar certo.

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  3. Estou fazendo um skate eletrico , se puder dar umas dicas para calculo de potencia necessaria para levar aproximadamente 130kg ( conjunto de baterias + condutor ) percurso gramado com subidas e descidas 8km de alcance , velocidade media de 10km/h

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  4. obrigado pela iniciativa, estou começando agora a me aventurar pelo mundo da eletrica e meu tcc vai ser baseado modelo caseiro de carro eletrico de baixo custo( mais acessivel) e vocês estão ajundo bastante, então novamente, obrigado.

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