VE's - Arquitecturas

 

BEV (Battery Electric Vehicle)

O BEV caracteriza-se por ser um veículo totalmente eléctrico, também conhecido por veículo eléctrico puro, é alimentado por baterias recarregáveis, que são recarregadas através da rede ou em andamento através do sistema de regeneração de energia.

Entre as suas principais vantagens podem-se referir a alta eficiência energética, o facto de não produzirem emissões no local de uso, e serem silenciosos. No entanto também apresentam desvantagens tais como a baixa autonomia quando comparados com os veículos de combustão interna e híbridos, o custo elevado das baterias, e o tempo de recarga. Como se observa as desvantagens estão todas relacionadas com o armazenamento de energia, esta questão tem sido alvo de diversos estudos que visam diminuir ou mesmo eliminar estas desvantagens. As tecnologias de armazenamento de energia têm sofrido grandes evoluções, e existem já diversas tecnologias em fase de testes que diminuem estas desvantagens [1].

Na Figura 1 encontra-se representada a topologia de um veículo eléctrico puro.

 

Figura 1 – Arquitectura do veículo eléctrico puro [2].

 

Nos veículos eléctricos puros a maioria das ligações mecânicas existentes nos veículos de combustão interna é substituída por ligações eléctricas, isto traduz-se numa maior eficiência energética devido a diminuição de atritos. 

 

HEV (Hybrid Electric Vehicle) e PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle)

O HEV é o resultado da conjugação do veículo de combustão interna com o veículo eléctrico, o HEV usa um motor de combustão interna de forma a aumentar a autonomia do veículo, e usa um motor eléctrico para aumentar a eficiência energética total, melhorar a performance dinâmica e baixar o consumo e as emissões de CO₂. Existem híbridos a gasolina, a diesel e mais recentemente a GPL, estes últimos são os que apresentam mais vantagens a nível do custo da mobilidade e de emissões. Dentro dos veículos híbridos existem vários graus de hibridação, que são descritos a seguir.

Micro hybrid é o primeiro nível de hibridação e é conhecido como o sistema Stop&Start, nesta tecnologia o motor de arranque funciona também como alternador, e quando o veículo desacelera ou pára o motor de combustão interna é desligado diminuindo o consumo e as emissões de CO₂, o motor é reiniciado automaticamente quando o pedal do acelerador é pressionado.

Mild hybrid é o segundo nível de hibridação, os veículos com este nível de hibridação possuem motores de arranque maiores que os convencionais, como no sistema stop&start o motor de combustão interna é desligado sempre que o veículo trave ou pare, o motor de arranque que funciona também como gerador pode recuperar energia na desaceleração através da travagem regenerativa. Além dessa função o motor de arranque auxilia o motor de combustão interna no arranque, quando a inercia é maior, resultando assim numa maior performance e poupança de combustível que se traduz em maior eficiência energética. 

Full Hybrid é o nível de hibridação mais conhecido e utilizado, os veículos com este nível de hibridação são totalmente híbridos e a sua propulsão pode ser obtida através de uma só fonte de energia (eléctrica ou combustão interna) ou as duas em simultâneo.

Hybride rechargeable é a versão plug-in do full hybrid ou seja é igual ao full hybrid mas permite o recarregamento das baterias através da rede eléctrica.

Os veículos eléctricos híbridos (full hybrid e hybride rechargeable) podem-se agrupar em duas arquitecturas principais, os veículos eléctricos híbridos com arquitectura série e os veículos eléctricos híbridos com arquitectura paralela, também existe uma arquitectura híbrida mista, que conjuga as duas arquitecturas anteriores tirando partido de ambas e aumentando assim a flexibilidade de utilização.

Estas arquitecturas apresentam as seguintes vantagens relativamente ao veículo convencional [3]:

1. Redução da potência do motor de combustão (bem como do tamanho);

2. Maior suavidade na operação do motor a combustão, com picos de binários reduzidos;

3. Maior controlabilidade do sistema.

4. Travagem regenerativa;

5. Redução da utilização do travão convencional;

6. Redução do ruído.

 

Arquitectura Híbrida Série

Na arquitectura híbrida série o motor de combustão interna (MCI) funciona como extensor de autonomia, o MCI está acoplado a um gerador eléctrico que fornece electricidade às baterias e ao sistema de propulsão composto pelo motor eléctrico que tracciona o veículo. As baterias armazenam a energia proveniente da travagem regenerativa e do gerador. O motor eléctrico pode receber energia das baterias, do gerador acoplado ao MCI ou por ambos ao mesmo tempo, não existe ligação física entre o MCI e o veio das rodas, a tracção é 100% eléctrica. Quando as baterias estão totalmente carregadas o veículo funciona como um eléctrico puro, abaixo de um determinado estado de carga ou a altas rotações o MCI entra em funcionamento auxiliando através do gerador o motor eléctrico, se a exigência de potência do veículo for abaixo da capacidade do MCI, o excesso é aproveitado para recarregar as baterias.

Comparativamente com a arquitectura paralela a arquitectura série apresenta as seguintes vantagens [3] [4]:

1.   Não existir um acoplamento mecânico entre o motor de combustão e o eixo das rodas, ou seja, o motor de combustão pode operar no regime de funcionamento óptimo, independentemente do que se passa na tracção;

2.   A tracção é exclusivamente eléctrica, o que associado à característica binário velocidade deste tipo de motores pode evitar o uso de transmissões adicionais, reduzindo nos componentes e consequentemente nos custos. Além disso permite a utilização de dois, ou até quatro, motores eléctricos de tracção nas rodas que permite obter configurações alternativas.

3.  Capacidade superior de travagem em relação ao paralelo, reduzindo a utilização do travão mecânico, aumentando a eficiência e a segurança do sistema;

4.  Eliminação da caixa de transmissão e, consequentemente, aumento do conforto na condução do veículo.

 

No entanto esta arquitectura também tem desvantagens [4]:

1.   A dupla conversão de energia entre a fonte e a tracção, o que leva a perdas adicionais;

2.   Tem um elemento adicional, o gerador, com peso e custos significativos;

Na Figuras 2 é apresentada a arquitectura hibrida série.

Figura 2 – Arquitectura série do veículo eléctrico híbrido, PHEV [2].

 

Arquitectura híbrida Paralela

Na arquitectura híbrida paralela existem dois motores ligados ao veio de tracção, o motor de combustão interna que representa o papel principal na propulsão do veículo e o motor eléctrico que o auxilia quando é exigido binário extra, por exemplo na aceleração. O motor eléctrico pode também traccionar o veículo a velocidades reduzidas e desempenha também o papel de gerador, tanto nas travagens como nas desacelerações, de forma a recarregar as baterias. Relativamente a arquitectura hibrida serie esta apresenta as seguintes vantagens [4]:

1.  Ambos os motores (combustão e eléctrico) fornecem  binário às rodas aumentando a potência final;

2.  O motor eléctrico é usado para assistir o motor de combustão, o que permite um sub dimensionamento deste, poupando em termos de peso e custo;

3.   Além de que evita o uso de um componente adicional, o gerador, com ganhos em termos de peso, e custos.

 

As principais desvantagens desta arquitectura são [4]:

1.  Não permitir que o motor de combustão trabalhe em regimes de rendimento óptimo, devido ao acoplamento mecânico existente entre este e a transmissão;

2.   A presença do acoplamento mecânico leva a uma maior complexidade na estrutura e no controlo, e sendo um componente mecânico está também sujeito a desgaste.

 

Na Figura 3 é apresentada a arquitectura hibrida paralela na sua vertente normal e plug-in. 

Figura 3 – Arquitectura paralela do veículo eléctrico híbrido, HEV (esquerda), PHEV (direita) [2].

 

Arquitectura híbrida Mista

A arquitectura híbrida mista conjuga a arquitectura híbrida série com a arquitectura hibrida paralela. Nesta o motor de combustão interna além de estar ligado ao veio de transmissão como na arquitectura paralela também se encontra ligado ao gerador como na arquitectura série. Esta arquitectura reúne as vantagens das arquitecturas série e paralela, no entanto torna-se mais complexa e mais cara.

Na Figura 4 é apresentada a arquitectura hibrida mista.

 

Figura 4 – Sistema Voltec.

 

O mercado tem optado por promover o veículo familiar, no entanto com as dificuldades das empresas cujas despesas têm levado ao fecho de muitas, o investimento em veículos ligados á industria como camiões, carrinhas e carros comerciais parece ser uma melhor aposta. Pessoas desempregadas não terão meios para comprar veículos eléctricos desta forma torna-se essencial avivar a indústria de forma a diminuir o desemprego e dar condições às pessoas para comprar. Um dos exemplos dessa aposta são os camiões híbridos da Volvo.

 

Referências

[1] IPV-ESTV-Departamento de Engenharia Electrotécnica. "Mobilidade Eléctrica - 1ªedição".

[2] “Let’s drive electric ‐ Electric and Hybrid Vehicles”; Challenge Bibendum Booklets.

[3] https://pt.scribd.com/doc/40634730/VEICULO-HIBRIDO-ELETRICO, acedido em Fevereiro de 2012.

[4] Cardoso, L., Desenvolvimento de “Range Extender” para veículo eléctrico, 2011.