Motores e baterias dos carros elétricos

Autor: 
Marshall Brain

Carros elétricos podem utilizar motores CA e CC:

  • se for um motor CC, ele deve funcionar na faixa de 96 a 192 volts. Muitos dos motores DC utilizados nos carros elétricos vêm da indústria de empilhadeiras elétricas;
  • se for um motor CA, ele é provavelmente um CA trifásico, que funciona a 240 volts CA com um conjunto de baterias de 300 volts.

As instalações CC tendem a ser mais simples e menos caras. Um motor típico estará na faixa de 20 a 30 mil watts (por exemplo, um regulador de 96 volts entregará um máximo de 400 ou 600 ampères). Os motores CC têm a boa característica de poderem operar com sobrecarga (até um fator de 10 para 1) durante curtos períodos de tempo. Por exemplo, um motor de 20 mil watts aceitará 100 mil watts por um curto período e produzir 5 vezes mais potência que a nominal. Isso é ótimo para acelerações rápidas momentâneas. A única limitação é o aquecimento do motor. Se for utilizado demais nessa condição, ele aquecerá a um ponto em que se autodestruirá.

As instalações CA permitem o uso de quase todo o tipo de motor CA trifásico. Isso possibilita encontrar mais facilmente um motor com o tamanho, forma ou potência nominal desejados. Os motores e os reguladores CA geralmente têm uma característica regenerativa. Durante a frenagem, o motor se transforma em um gerador e devolve energia para as baterias.

Até agora, o ponto fraco dos carros elétricos são as baterias. Existem pelo menos seis importantes problemas com a tecnologia atual das baterias chumbo-ácido:

  • são pesadas (um conjunto de bateria chumbo-ácido normal pesa cerca de 500 kg ou mais);
  • são volumosas (o carro analisado tem 50 baterias de chumbo-ácido, cada uma medindo em torno de 15 x 20 x 15cm);
  • têm capacidade limitada (um conjunto típico de baterias chumbo-ácido armazena 12 a 15 kilowatt/hora de eletricidade, proporcionando ao carro uma autonomia de apenas 80 quilômetros);
  • demoram para recarregar (o período para recarga completa de um conjunto de baterias chumbo-ácido vai de 4 a 10 horas, dependendo da tecnologia e do carregador usados);
  • têm vida curta (3 ou 4 anos, talvez a 200 ciclos de carga/descarga);
  • são caras (algo em torno de 2 mil dólares para o conjunto de baterias do carro que utilizamos como exemplo).

As baterias chumbo-ácido podem ser substituídas por baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH). A autonomia do carro dobra e as baterias duram 10 anos (milhares de ciclos de carga/descarga). No entanto, o custo dessas baterias é 10 a 15 vezes maior do que o custo das baterias de chumbo-ácido. Em outras palavras, um conjunto de baterias níquel-hidreto metálico custará de R$ 40 mil a R$ 60 mil em vez de R$ 4 mil. Os preços das baterias mais avançadas caem à medida que elas são mais vendidas. Então, nos próximos anos é possível que pacotes de baterias níquel-hidreto metálico e lítio-íon se tornem competitivos com os preços das baterias chumbo-ácido. A partir de então, os carros elétricos vão possuir uma autonomia muito maior.

Ao examinar os problemas associados com as baterias, surge uma nova perspectiva de análise em relação a gasolina. Dez litros de gasolina pesam cerca de 7,5 kg, custam em torno de R$ 24 e necessitam de 30 segundos para serem colocadas no tanque. São equivalentes a 500 kg de baterias de chumbo-ácido, que custam R$ 4 mil e levam 4 horas para recarregar.

Os problemas com a tecnologia das baterias explicam porque atualmente há tanta expectativa em torno das células a combustível. Se comparadas com baterias, as células são menores, muito mais leves e de recarga instantânea. Quando alimentadas por hidrogênio puro, não apresentam nenhum dos problemas ambientais associados à gasolina. É muito provável que o carro do futuro venha a ser um carro elétrico que usará eletricidade das células a combustível. Mas ainda é necessário muita pesquisa e desenvolvimento para que as células a combustível se tornem confiáveis e baratas para movimentar automóveis.

Todos os carros elétricos têm uma outra bateria a bordo. Trata-se da bateria chumbo-ácido de 12 volts que todo carro tem. Essa bateria fornece energia para os acessórios como faróis, rádio, ventiladores, computadores, airbags, limpadores de pára-brisa, vidros elétricos e instrumentos dentro do carro. Do ponto de vista econômico, é lógico que o carro elétrico também deve usar esses aparelhos, já que estão prontamente disponíveis e são padronizados em 12 volts.

Desta forma, um carro elétrico tem uma bateria chumbo-ácido de 12 volts para alimentar todos os acessórios. Para mantê-la carregada, o carro elétrico precisa de um conversor CC-CC. Este equipamento recebe a energia CC do painel principal de baterias (por exemplo a 300 volts CC) e converte-a para 12 volts, a fim de recarregar a bateria dos acessórios. Quando o carro está ligado, os acessórios usam a força do conversor CC-CC. Quando o veículo está desligado, usam a força da bateria de 12 volts, como em qualquer carro a gasolina.

O conversor CC-CC é normalmente uma caixa separada sob o capô, mas pode também estar embutida no regulador.

A recarga num carro elétrico

Qualquer carro elétrico que use baterias precisa de um sistema de recarga para elas. Esse sistema tem dois objetivos:

  • levar eletricidade para as baterias com a rapidez que elas permitirem;
  • monitorar as baterias e evitar que se danifiquem durante o processo de carga.

Corrente de carga

Quando as baterias chumbo-ácido estão com a carga baixa, quase toda a corrente é absorvida pela reação química. Quando o estado da carga atinge um determinado ponto, a cerca de 80% dessa capacidade, mais e mais energia é gasta no aquecimento e eletrólise da água. O borbulhamento do eletrólito resultante é chamado informalmente de "fervura". Para que o sistema de recarga minimize a fervura, a corrente de carga deve baixar para os 20% restantes do processo de carga.

Os sistemas de recarga mais sofisticados monitoram a voltagem, o fluxo de corrente e a temperatura da bateria para minimizar o tempo de recarga. O carregador envia o máximo de corrente que pode, sem elevar muito a temperatura das baterias. Carregadores menos sofisticados podem monitorar apenas a voltagem ou a amperagem e fazer certas suposições sobre as características médias da bateria. Um carregador como esse pode aplicar a corrente máxima às baterias em até 80% da capacidade delas e então, nos 20% finais, cortar a corrente a um nível pré-estabelecido, para evitar superaquecimento.

O carro elétrico de Jon Mauney tem dois tipos diferentes de sistema de carga. Um deles aceita 120 ou 240 volts de uma tomada elétrica normal. O outro é o sistema indutivo Magna-Charge, popularizado pelo veículo GM EV1. Vamos analisar cada um desses sistemas separadamente.

O sistema de carga doméstico tem a vantagem de ser conveniente, a recarga poderá ser feita em qualquer lugar onde exista uma tomada. Entretanto, existe a desvantagem do tempo de carga.

Uma tomada doméstica de 120 volts tem um disjuntor de 15 ampères. Ou seja, a quantidade máxima de energia que o carro pode consumir é de aproximadamente 1500 watts, ou 1,5 quilowatt/hora por hora. Uma vez que o painel de baterias do carro de Jon normalmente precisa de 12 a 15 quilowatts/hora para uma recarga completa, ela pode levar de 10 a 12 horas para se realizar usando esta técnica.

Utilizando-se um circuito de 240 volts (como a tomada de uma secadora elétrica), o carro poderá receber 240 volts a 30 ampères, ou 6,6 quilowatts/hora. Esta solução permite uma carga bem mais rápida, levando de 4 a 5 horas para recarregar completamente o conjunto de baterias.

No carro de Jon, o tubo para abastecimento de gasolina foi removido. No lugar, foi colocada uma tomada de recarga. O simples ato de plugar com uma extensão de serviço pesado inicia o processo de recarga.

Ao  abrir a tampa do combustível, vê-se o plugue para recarga

Detalhe do plugue


Foto: cortesia de Jon Mauney
O carro pode ser ligado em qualquer lugar para fazer a recarga

Neste carro, o carregador foi instalado dentro do regulador. Na maioria dos veículos convertidos domesticamente, o carregador é uma caixa separada, localizada sob o capô. Também pode ser uma unidade móvel separada do carro.

O sistema Magna-Charge é formado por duas partes:

  • uma estação de recarga instalada na parede de casa


Foto: cortesia de Jon Mauney
  • um sistema de recarga no porta-malas do carro


A estação de carga é ligada ao circuito de 240 volts e 40 ampères através do painel de circuito da casa.

O sistema de recarga envia eletricidade para o carro através de chapas indutivas:


Foto: cortesia de Jon Mauney

A chapa se encaixa em uma abertura escondida atrás da placa do carro.


Foto: cortesia de Jon Mauney

A chapa atua como uma das metades de um transformador. A outra metade está dentro do veículo, posicionada ao redor da abertura, atrás da placa do carro. Quando a chapa é inserida, forma-se um transformador com a abertura e a energia se transfere para o carro.

Uma vantagem do sistema indutivo é que não existem contatos elétricos expostos. A chapa pode ser tocada ou até mesmo derrubada na água sem haver risco de choque. Outra vantagem é a capacidade que ela possui de puxar rapidamente uma quantidade significativa de corrente para o carro, pois a estação de recarga se liga a um circuito de 240 volts.

O conector de recarga de alta potência mais competitivo é o conhecido como "Avcon plug", usado pela Ford e por outros fabricantes. O "Avcon plug" tem contatos "cobre-cobre" em vez de chapas indutivas. Também possui uma conexão mecânica elaborada, que mantém os contatos cobertos, até que o conector esteja ligado ao receptáculo no veículo. Juntando esse conector com a proteção tipo GFCI (interruptor em caso de falha no aterramento) a conexão se torna segura em qualquer tipo de clima. Jon Mauney ressalta o seguinte:

Uma importante característica do processo de carga é a "equalização". Um veículo elétrico tem uma série de baterias (algo entre 10 e 25 módulos, cada um contendo de 3 a 6 células). As baterias são muito similares, mas não idênticas. Desta forma, elas apresentam pequenas diferenças de capacidade e resistência interna. Todas as baterias em uma série liberam a mesma corrente (leis da eletricidade). Entretanto, as mais fracas têm que "trabalhar duro" para produzir a corrente. Sendo assim, estarão com a carga levemente mais baixa ao final da jornada. Conseqüentemente, as baterias mais fracas precisam de mais recarga para voltar para a carga máxima.

Por estarem em série, as baterias também recebem exatamente a mesma quantidade de recarga. Isso deixa a bateria fraca ,ainda mais fraca do que era antes. Com o tempo, isso causa um estrago na bateria muito antes do que no resto do conjunto. Como a bateria determina a autonomia do veículo, esta diminui.

A solução comum para este problema é a "carga equalizadora". As baterias são levemente sobrecarregadas para garantir que as pilhas mais fracas cheguem à carga total. O segredo é manter as baterias equalizadas, mas sem danificar as mais fortes com sobrecarga. Há soluções mais complexas, que escaneiam as baterias, medem voltagens individuais e enviam corrente de carga extra para os módulos mais fracos.