Sistema de Powertrain de um Protótipo Elétrico Deixe um comentário

Armazenamento de energia

A primeira e uma das mais fundamentais partes do sistema de powertrain de um protótipo elétrico é a sua bateria, responsável pelo armazenamento de energia do veículo todo.

Para entender como é a escolha do tipo de bateria ou combustível em um carro, devemos primeiro entender o conceito de densidade de energia. Esse parâmetro resume quanta energia aproveitável cabe em uma unidade de volume ou de massa, ou seja, podemos dizer que a gasolina e etanol possuem uma densidade de energia muito maior do que as baterias em geral, porém perdem para o gás liquefeito de petróleo (gás de cozinha) em densidade sobre a massa. Já o hidrogênio gasoso comprimido em relação à gasolina, por exemplo, possui o triplo da densidade de energia sobre massa, porém é seis vezes menos denso em relação ao volume. Em suma, a escolha do tipo de combustível para cada aplicação depende de fatores como o volume disponível, o peso máximo, o preço, a facilidade de manuseio, dentre outros.

No universo dos veículos elétricos, contamos com dois principais tipos de propulsão, sendo eles a célula de hidrogênio e a bateria elétrica. O primeiro, ao contrário da combustão tradicional, funciona através da passagem do hidrogênio por uma célula de eletrólise que separa os elétrons, gerando assim uma corrente elétrica. A bateria, por sua vez, existe em diversas categorias que vão desde os tipos mais antigos como níquel ou chumbo ácido, usadas em carros a combustão, até categorias mais modernas como baterias de lítio com nanofios, que ainda estão em desenvolvimento e pouco disponíveis comercialmente.

Dessa forma, um dos métodos mais baratos atualmente é o armazenamento em células de íon-lítio, que constituem o material com maior densidade de energia comercialmente disponível para veículos elétricos à bateria.

Porém o desenvolvimento de uma bateria para o protótipo elétrico não termina aí. Agora precisa-se atingir a tensão e carga adequada para o nosso projeto, o que é feito associando-se várias células em série e paralelo. A célula, no caso, é a menor unidade de armazenamento possível para determinado material e possui uma tensão bem definida. As células de íon lítio possuem tensão fixa de 3,7V e precisamos de uma bateria de 48V para alimentar nosso motor, ou seja, precisamos ligar 13 células em série, somando assim as suas tensões e resultando na bateria adequada.

A associação em paralelo, por sua vez, resulta na soma das cargas das baterias. Assim, trabalhando com uma célula de 2200 mAh de carga, podemos associar duas células em paralelo e obter 4400 mAh de carga. É muito importante enfatizar que a as células ou baterias associadas em paralelo precisam possuir o mesmo nível de tensão, ou seja, se associarmos 13 células em série e quisermos aumentar a sua carga, precisaremos de outras 13 células em série para que ambos conjuntos possuam a mesma tensão e possam ser associados em paralelo. Se essa regra não for respeitada, a bateria pode ser seriamente danificada e até explodir. Portanto, para obter a tensão e carga ideais para nosso projeto, associamos em paralelo 5 conjuntos de 13 células em série, resultando assim numa bateria com 48,1V e 11000 mAh.

Finalizando, para proteger o nosso pack de baterias, utilizamos um Battery Management System (BMS), que consiste numa placa eletrônica responsável por distribuir corretamente a carga entre as células durante o carregamento e o descarregamento, dado que um desequilíbrio de tensões pode causar problemas como foi explicado anteriormente. Além disso, o BMS protege contra curto circuito, superaquecimento e sobretensão, sendo assim um dispositivo obrigatório para nossa competição (e recomendado para qualquer bateria de lítio).

Proteção e distribuição do sistema elétrico

Para mitigar riscos e aumentar o controle dos competidores sobre o sistema de powertrain do protótipo, é obrigatório o uso de alguns dispositivos de segurança.
O primeiro deles é o fusível, que protege o sistema em caso de curto-circuito, funcionando como um interruptor de segurança. Em caso de sobrecarga o fusível queima, abrindo o circuito e protegendo os aparelhos que vêm em seguida. Pode ser encontrado em instalações elétricas de residências, automóveis e aparelhos eletrônicos.

À semelhança dos disjuntores, eles são os responsáveis por proteger os circuitos elétricos, porém a diferença entre ambos consiste na reutilização e acionamento. Enquanto os disjuntores podem ser ligados e desligados, além de religados depois de uma queda por sobrecorrente, os fusíveis, uma vez queimados, não podem mais ser utilizados. Seu funcionamento será explicado em detalhes adiante.

O segundo dispositivo de segurança é um botão de emergência (Botão de Emergência com Trava) localizado na parte externa do veículo, para que em caso de colisão e eventual inconsciência do piloto alguma pessoa fora do veículo possa cortar a energia de todo o automóvel.

O terceiro dispositivo é uma chave geral para ligar e desligar o sistema de powertrain (Chave Alavanca Switch Iluminado 12V), localizada no volante e ao alcance do piloto, que serve tanto para situações de emergência quanto para controlar o sistema normalmente.

Depois dos dispositivos de proteção, precisa-se distribuir a energia para cada subsistema do powertrain, evitando-se remendos mecânicos diretamente nos fios. Portanto, utilizamos conectores WAGO (Conector Emenda Rápida Tipo Wago) para emendas rápidas, que garantem confiabilidade na transmissão da energia entre os fios conectados. O WAGO é utilizado depois da chave geral para dividir a corrente para o controlador e para o conversor de tensão, e também depois deste para dividir a corrente entre os subsistemas alimentados por 12V.

O conversor de tensão, por sua vez, é responsável por converter a tensão de 48V da bateria em 12V para os circuitos de iluminação, buzina, limpador de pára brisas e setas. Seu uso é necessário pois a grande maioria dos componentes desses circuitos são encontrados na tensão dos chicotes de veículos convencionais, ou seja, 12V.

O que é um relé e como ele funciona?

Para apresentarmos o restante dos subsistemas do protótipo, precisamos entender o funcionamento de alguns dispositivos fundamentais. O relé é um tipo de interruptor elétrico ou botão, que permite a abertura e fechamento de um circuito elétrico, ou seja, é possível bloquear ou deixar fluir a corrente elétrica, e pode ser classificado em dois tipos: eletromecânico ou microprocessado.

A principal diferença entre ambos está no tipo de acionamento que muda de acordo com a função. Alguns dos tipos de relés elétricos que existem são: relé de temporizadores, relé térmico, relés de proteção e relé fotoelétrico. Na Filipeflop temos uma variedade deles, que podem ser acessados aqui.

No relé eletromecânico, a corrente elétrica de acionamento passa por uma bobina, criando um campo magnético que atrai a alavanca encarregada pela mudança do estado dos contatos. Dessa forma, o terminal marcado como “normalmente aberto” é fechado e a corrente elétrica flui por ele, enquanto que o terminal marcado como “normalmente fechado” é aberto e seu circuito desliga.

Funcionamento Básico de um Relé
Funcionamento Básico de um Relé

Uso e funcionamento dos fusíveis

Nos circuitos de iluminação, para adicionar mais uma camada de proteção, utilizamos fusíveis da mesma forma que na saída da bateria.

Os fusíveis funcionam com base no efeito Joule, que relaciona a passagem de corrente elétrica com a dissipação de energia na forma de calor. Assim, quando uma corrente maior do que a permitida passa pelo material condutor no seu interior, o condutor atinge sua temperatura de fusão. Sua composição engloba, portanto, componentes metálicos com uma fina seção transversal, ponto de fusão relativamente baixo e que possuem um limite de passagem de corrente elétrica. Caso a corrente exceda o limite, o metal derrete, impedindo a passagem de corrente e abrindo o circuito, da mesma forma que um interruptor. É por esse motivo que o fusível deve ter amperagem menor do que a suportada pela fiação, no entanto maior que a corrente que pode ser atingida pela instalação.

Nos sistemas de iluminação da Ecocar os fusíveis utilizados têm amperagem de 10A em formato tradicional em lâmina, possibilitando identificar rapidamente em caso de queima e pode ser facilmente substituído.

Fitas de LED

Nos faróis, luz de freio e setas do nosso protótipo, utilizamos fitas de LED, que constituem uma opção barata, eficiente e com potência suficiente para a proposta da competição. Essas fitas são placas flexíveis com terminais para encaixe dos LED’s, e geralmente seu número indica o tamanho do chip LED que é soldado sobre ela. Por exemplo, as fitas 5050 possuem LED’s com 5mm de largura por 5mm de comprimento e as fitas 3528 possuem LED’s de 3,5mm por 2,8mm. Pode ser classificada também em endereçável ou não endereçável, ou seja, se as cores e o brilho de seus LED’s podem ser controlados individualmente ou não.

Comercialmente, a maioria das fitas possui 5 metros de comprimento e pode ser cortada em pontos específicos com terminais de cobre expostos. Além disso, podem ser encontradas fitas monocromáticas ou RGB.

Sistema de setas

No sistema de setas, precisamos de algum componente temporizador para piscar as fitas na frequência correta. Para isso, projetamos um circuito temporizador utilizando o CI NE555 (referenciar), alguns capacitores, resistores e um diodo. O CI em questão nada mais é do que um temporizador analógico, ou seja, se ligado da forma correta no seu sistema, fornecerá um pulso de tensão na frequência desejada, que varia de projeto para projeto. Por ser um componente amplamente usado, é fácil encontrar documentos e artigos sobre a energização correta para uma certa frequência.

Acionamentos e ligação do sistema de iluminação

Como no carro comercial, cada circuito de iluminação possui uma forma de acionamento característica. Para o sistema de faróis normal, utilizamos um interruptor convencional (referenciar) com as posições “ligado” e “desligado”. Para o sistema de setas, precisamos de um interruptor de 3 posições (referenciar), sendo a do meio “desligado” e as duas posições das pontas acionando circuitos distintos. Por fim, para a luz de freios, utilizamos um botão de fim de curso (referenciar) posicionado ao lado do pedal de freio, sendo acionado assim que o piloto pisa no freio ao mesmo tempo que não impede o pedal de avançar depois que o botão foi ligado.

Sumarizando, todos os sistemas de iluminação do powertrain seguem a sequência: a tensão saindo do regulador de tensão passa por um fusível e se conecta ao positivo do circuito de potência do relé. Depois, sai do “normalmente aberto” do relé em direção à fita LED da cor desejada (vermelho, branco ou amarelo) e termina no terra do regulador. O circuito de acionamento, por sua vez, sai do positivo do regulador de tensão, passa pelo mecanismo de acionamento (chave ou botão) e vai para o positivo do acionamento do relé, saindo depois um fio do negativo do acionamento em direção ao terra. No circuito de setas, o temporizador é instalado depois da chave de acionamento e antes do relé.
Portanto, temos um sistema de iluminação que segue o seguinte esquemático:\

Os resistores que precedem os LED’s dos circuitos estão embutidos na própria fita LED
Os resistores que precedem os LED’s dos circuitos estão embutidos na própria fita LED

Sistema de buzina

A buzina é fundamental para a segurança de todos os tipos de automóveis, portanto a competição também exige que todos os participantes façam a instalação da buzina nos seus carros.
No projeto do Ecocar, a buzina é conectada com um regulador de tensão, que por sua vez é diretamente ligado com a saída da bateria. É necessário o uso de um regulador de tensão pois as buzinas mais comuns no mercado funcionam com uma tensão de 12V e a nossa bateria fornece 48V. Como no sistema de setas, a buzina também possui uma forma de acionamento, que nesse caso é um botão de arcade (Botão Arcade Fliperama) para ser acionada somente enquanto o botão estiver pressionado.

Sistema de Ventilação

Um sistema de ventilação adequadamente projetado é essencial para o projeto da equipe nos quesitos de segurança e conforto do piloto. Existem dois tipos de sistema de ventilação: ativa e passiva. Vamos analisar cada um desses tipos de ventilação antes de fazer a escolha adequada para equipe.

A ventilação passiva depende da diferença de pressão entre parte interna e externa do carro, em outras palavras, a circulação do ar depende da entrada e da saída do ar por meio de aberturas no carro. Já na ventilação ativa, a circulação do ar está relacionada à conversão de energia elétrica em energia mecânica através do uso de ventiladores.

Pelo regulamento da competição, a energia gasta pelo sistema de ventilação não será medida joulímetro fornecido pela Shell, logo, não deveria influenciar no consumo de energia medido da equipe. Porém, seria muito mais complexo alimentar uma ventoinha fora da rede de medida, pois deveríamos adicionar outra bateria ou conversor de tensão exclusivamente para esse componente, portanto decidiu-se computar o gasto da ventoinha também. Além disso, o sistema de ventilação passiva não é ideal para a equipe por aumentar o arrasto aerodinâmico do carro.

Juntando esses fatores, a equipe decidiu utilizar ventoinhas/ventilador cooler para formar o sistema de ventilação do carro devido à sua simplicidade de fixação e instalação no carro. Alguns modelos podem ser encontrados neste link.

Como o projeto que está sendo trabalhado pela equipe Ecocar é um carro urbano, além da preocupação com a eficiência energética, o veículo deve garantir o conforto do piloto. Nesse sentido, a equipe decidiu instalar perto do motorista duas ventoinhas que, além de resfriar o passageiro durante a corrida do carro, servem também como anti-embaçamento do para-brisa.

Mas não é só na cabine que precisamos fornecer ventilação adequada. O calor produzido pelo atrito entre o freio e a roda aumenta a temperatura desses componentes, que podem gerar problemas de superaquecimento, e como consequência, gerar riscos de segurança para o piloto, exigindo portanto a instalação de ventoinhas em direção ao sistema de freios, uma vez que nossa carenagem é completamente fechada, o que dificulta a ventilação natural.

Por fim, o motor elétrico precisaria de resfriamento caso operasse constantemente em alta potência, ao contrário do motor à combustão que demanda resfriamento independente da situação. No contexto da Shell Eco-Marathon, a velocidade dos carros em geral é de 30 km/h sobre terreno plano, ou seja, o motor nunca opera em alta potência. Logo, a equipe decidiu que não é necessário fornecer resfriamento para o motor.

Aterramento da carenagem

Sistemas de aterramento são fundamentais para escoar correntes de falta ou cargas estáticas acumuladas na carcaça de um automóvel, por meio de cargas adquiridas pelo atrito com o ar ou pela indução magnética da corrente passando pelos cabos, por exemplo. Isso protege os usuários de potenciais choques elétricos, uma vez que, em caso de falta de aterramento, ele atuaria como a resistência entre dois potenciais pelo qual passaria a corrente elétrica.

Em carros comuns, os polos da bateria são ligados: o positivo aos dispositivos eletrônicos, enquanto o polo negativo à carroceria do automóvel, de modo que a carroceria como um todo possibilita pontos de aterramento. Alguns dos possíveis problemas por falta de aterramento são descarga rápida da bateria, faróis e setas não funcionando de forma adequada, queima de equipamentos, entre outros.

Em nosso projeto, ligamos apenas o negativo da bateria à carenagem do veículo, para que assim qualquer tensão parasita seja escoada para o negativo da bateria.


Esse post é resultado da parceria da FilipeFlop com a equipe Ecocar UNICAMP. Curtiu o conteúdo? Então deixe seu comentário abaixo!

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