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Motor Elétrico



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

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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.

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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.

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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.

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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.

Motores e baterias dos carros elétricos

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 veículos 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.

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