Como funcionam os carros elétricos

Autor: 
Marshall Brain

Os carros elétricos estão em evidência na mídia. Vários motivos que explicam o interesse crescente por ess­es veículos:

  • Eles poluem menos do que carros movidos a gasolina, tornando-se uma alternativa ambientalmente saudável a esse tipo de veículo (especialmente nas cidades).
  • Quando se fala em carros híbridos, geralmente se fala em carros elétricos.
  • Veículos movidos a células a combustível são carros elétricos, e células a combustível estão em destaque nos meios de comunicação.

Regulador de 50 quilowatts do motor de um carro elétrico

Neste artigo, você aprenderá sobre como são fabricados e convertidos os os veículos elétricos. Também lerá sobre um programa inovador, que envolve estudantes de ensino fundamental e médio. O projeto viabiliza a construção e a corrida de carros elétricos.

Um carro elétrico é movido por um motor elétrico, em vez de por um motor a gasolina.

À primeira vista, é difícil saber se um carro é elétrico. Na maioria dos casos, esse tipo de veículo é feito a partir da conversão de um carro a gasolina. Sendo assim, torna-se impossível a identificação. Ao dirigir um carro elétrico, a única diferença perceptível é o fato de ele ser bastante silencioso.

Sob o capô, porém, há muitas diferenças entre os carros a gasolina e os elétricos:

  • O motor a gasolina é substituído por um motor elétrico.
  • O motor elétrico recebe força de um regulador, cuja alimentação é feita por um conjunto de baterias recarregáveis.

Com suas linhas de alimentação, sistemas de escapamento, mangueiras de refrigeração e filtros de ar, o motor à gasolina parece um projeto de encanamento. Já um carro elétrico é um projeto de instalação elétrica.

Para se ter uma idéia sobre como funciona um carro elétrico, vamos analisar um deles. O veículo que utilizaremos para essa discussão é mostrado aqui:

O carro elétrico da foto tem alguns adesivos bastante chamativos. O proprietário deste veículo é Jon Mauney.

Antes, este veículo elétrico era um Geo Prism 1994 movido à gasolina. Veja quais as modificações que o transformaram em um carro elétrico:

  • o motor a gasolina, o silenciador, o catalisador, o escapamento e o tanque de combustível, tudo foi removido;
  • toda a embreagem foi retirada. Já o câmbio manual foi preservado e travado na segunda marcha;
  • um novo motor de corrente alternada (CA) foi fixado ao câmbio com o uso de uma placa adaptadora;
  • um regulador elétrico foi instalado para controlar o motor CA;

O regulador de 50 kW absorve 300 volts CC (corrente contínua) e produz 240 volts CA em três fases. É a caixa onde está escrito "U.S. Electricar".

  • uma bandeja de baterias foi instalada no assoalho do carro;
  • cinqüenta baterias de chumbo-ácido de 12 volts foram colocadas na bandeja de baterias (dois conjuntos de 25, para gerar 300 volts CC);
  • motores elétricos foram colocados para movimentar equipamentos que usavam a força do motor a gasolina para isso: bomba de água, bomba de direção hidráulica e ar-condicionado;
  • uma bomba de vácuo foi instalada para o sistema de servoassistência do freio, que antes usava o vácuo do motor a combustão;

A bomba de vácuo está à esquerda do centro

  • a alavanca do câmbio manual foi substituída por um interruptor, disfarçado de alavanca seletora de caixa automática, para marcha a frente e ré;

Uma alavanca seletora de caixa automática para selecionar marcha à frente e ré. Ela contém um pequeno interruptor, que manda um sinal para o regulador.

Aquecedor de água

  • um carregador foi instalado para que as baterias fossem carregadas. Este carro em particular tem dois sistemas de recarga: o primeiro por uma tomada normal de 120 ou 240 volts, e o outro por recarga Magna-Charge de placa indutiva.

Sistema de carga de 120/240 volts

 

Sistema de recarga Magna-Charge por placa indutiva

  • O medidor de combustível foi substituído por um voltímetro.

O medidor de combustível de um carro elétrico pode ser um voltímetro simples ou um computador mais sofisticado, que acompanha o fluxo de ampères que vai e volta do conjunto de baterias

O restante no carro é normal. Ao entrar para dirigir, coloca-se a chave na ignição e gira-se a chave para a posição "ligado". Depois, posiciona-se a alavanca em "drive" (marcha à frente), pisa-se no acelerador e o carro anda com o desempenho de um carro a gasolina. Conheça algumas informações interessantes sobre esse carro:

  • A sua autonomia é de cerca de 80 km.
  • Ele vai de 0 a 100 km/h em cerca de 15 segundos.
  • São necessários cerca de 12 quilowatts/hora de eletricidade para carregar o carro após rodar 80 km.
  • As baterias pesam em torno de 500 kg e duram de 3 a 4 anos.

Aqui está um exemplo que compara o custo por quilômetro do carro a gasolina com o deste carro elétrico. Se o custo da eletricidade é de R$ 0,50 por quilowatt/hora, isso significa que para uma recarga completa teremos um custo de R$ 6. O custo por quilômetro, então, é de cerca de R$ 0,075. A gasolina custa em torno de R$ 2,40 por litro e um carro faz aproximadamente 12 quilômetros por litro. Então, o custo por quilômetro da gasolina é de R$ 0,20. Tomando esses exemplos como base, o custo por quilômetro do carro elétrico é apenas 37,5% daquele do carro a gasolina.

Fica claro que o "combustível" dos veículos elétricos custa muito menos por quilômetro rodado do que o da gasolina . Para muitos, a autonomia de 80 km não se apresenta como fator limitante um motorista que mora na cidade ou nos arredores, raramente dirige mais do que 50 ou 60 quilômetros por dia.

No entanto, para que a nossa análise seja rigorosamente justa, precisamos incluir o custo de reposição das baterias no cálculo. Por enquanto, elas são o ponto fraco dos carros elétricos. A reposição de baterias para este carro fica em torno de R$ 4 mil. Elas durarão cerca de 30 mil quilômetros, o que dá em torno de R$ 0,15 por quilômetro. Agora fica fácil entender porque existe tanto interesse nas células a combustível. Elas seriam uma solução para o problema das baterias (veja mais detalhes sobre as células combustível mais adiante, neste artigo).

O que faz um carro elétrico funcionar é a combinação de:

  • Motor elétrico
  • Regulador do motor
  • Baterias


Regulador CC conectado às baterias e ao motor CC. Se o motorista pisar fundo no acelerador, o regulador entrega todos os 96 volts das baterias para o motor. Se o motorista retira o pé do acelerador, o regulador entrega 0 volt para o motor. Para qualquer situação intermediária, o regulador divide os 96 volts milhares de vezes por segundo. Assim, cria-se uma voltagem média entre 0 e 96 volts.

O regulador recebe energia das baterias e a repassa ao motor. O pedal do acelerador está ligado a um par de potênciometros (resistores variáveis). Eles fornecem o sinal que avisa ao regulador quanta energiaa deve ser entregue. O regulador pode passar energia zero (carro parado), energia total (o motorista pisa fundo no acelerador) ou quaisquer níveis intermediários de energia.

Quando se abre o capô, este equipamento rouba a cena:

O regulador, de 50 kW e 300 volts, é a caixa em que se lê "US Electricar"

Neste carro, o regulador recebe 300 volts CC das baterias. Depois, converte-os em um máximo de 240 volts CA, trifásica, para enviar para o motor. Isso é feito através de grandes transistores, que rapidamente ligam e desligam a voltagem das baterias para gerar uma onda senoidal.

Quando o acelerador é pressionado, um cabo do pedal se conecta com estes dois potênciômetros:

 

Os potenciômetros ligados ao acelerador enviam um sinal para o regulador

O sinal dos potenciômetros diz ao regulador quanta energia deve ser entregue para o motor elétrico do carro. Por medida de segurança, há dois potenciômetros. O regulador lê ambos e se assegura de que os sinais são iguais. Se não forem, o regulador não opera. Esse arranjo é para segurança, ao prevenir a situação em que um potenciômetro prenda na posição de aceleração máxima.

 

Os grandes cabos, à esquerda, conectam o conjunto de baterias ao regulador. No meio deles, localiza-se um grande interruptor liga/desliga. O conjunto de pequenos fios, à direita, leva sinais dos termômetros localizados entre as baterias, bem como aos ventiladores que mantêm as baterias frias e ventiladas.

 

Cabos grossos entrando e saindo do regulador

A tarefa do regulador em um carro elétrico CC é fácil de entender. Vamos supor que o painel tenha 12 baterias de 12 volts, ligadas em série para criar 144 volts. O regulador recebe 144 volts CC e entrega-os ao motor de forma controlada.

O regulador CC mais simples seria um grande interruptor liga/desliga conectado ao pedal do acelerador. Ao se pressionar o pedal, o interruptor ligaria, e ao se retirar o pé, desligaria. O motorista teria que pressionar e soltar o acelerador para pulsar o motor, ligando e desligando o interruptor para manter uma dada velocidade.

Obviamente, esse sistema "liga/desliga" funcionaria, mas seria muito difícil de dirigir um carro assim. Sendo assim, o regulador pulsa o motor para o motorista, lendo a situação do pedal do acelerador através dos potenciômetros e regulando a energia adequadamente. Digamos que o acelerador esteja pressionado até a metade, o regulador lê esta posição através do potenciômetro e rapidamente liga e desliga a energia para motor, de forma que ele fique ligado metade do tempo e desligado na outra metade. Se o acelerador estiver pressionado a 25%, o regulador pulsa a energia de forma que o motor permaneça ligado em 25% e desligado em 75% do tempo.

A maioria dos reguladores pulsa mais de 15 mil vezes por segundo, de maneira a manter a pulsação fora dos limites da audição humana. A corrente pulsante faz com que a carcaça do motor vibre na mesma freqüência, assim, ao pulsar a mais de 15 mil ciclos por segundo, o regulador e o motor tornam-se silenciosos ao ouvido humano.


Um regulador CA se liga ao motor CA. Utilizando seis conjuntos de transistores, o regulador recebe 300 volts CC e produz 240 volts CA, trifásica. Veja Como funciona a eletricidade para ler uma discussão sobre corrente trifásica. O regulador ainda fornece um sistema de recarga para as baterias e um conversor CC-CC para recarregar a bateria de 12 volts dos acessórios.

Em um regulador CA, a tarefa é um pouco mais complicada, mas é a mesma idéia básica. O regulador cria 3 ondas pseudo-senoidais. Ele faz isso recebendo a voltagem CC das baterias e pulsando-a em ligado e desligado. Em um regulador CA, há a necessidade adicional de inverter a polaridade da voltagem 60 vezes por segundo. Além disso, são necessários seis conjuntos de transistores em um regulador CA, enquanto somente um é necessário em um regulador CC. No regulador CA, para cada fase são necessários um conjunto de transistores que pulse a tensão e outro conjunto para inverter a polaridade. Duplicando isso três vezes por três fases teremos seis conjuntos de transistores.

A maioria dos reguladores CC usados nos carros elétricos são da indústria de empilhadeiras elétricas. O regulador CA Hughes da foto acima foi o mesmo utilizado no veículo elétrico GM EV1. Este regulador tem capacidade para entregar um máximo de 50 mil watts ao motor.

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