19 de outubro de 2010

ELÉTRICOS: O FATOR OCULTO

Observem este filme de um navio de contêineres sendo descarregado.


É possível perceber o frenesi que é o processo de carga e descarga de navios contêiner. Tempo é dinheiro, e o uso de contêineres padronizados agilizam muito o processo de carga e descarga.

Mas há um detalhe nestas imagens que escapa ao senso comum da maioria das pessoas. É muito sutil o fato de que os contêineres são suspensos por cabos de aço flexíveis, e que, apesar disto, eles são movidos de um lado para o outro em alta velocidade, sem que oscilem como um pêndulo.

É evidente que a movimentação dos contêineres não pode gerar oscilações. São cargas pesadas, difíceis de conter a oscilação, e enquanto oscilam, não podem ser posicionadas com precisão no seu lugar de destino, presas por suas travas, quer seja no navio, quer seja sobre a carroceria dos caminhões.

No vídeo seguinte, da carga de um cargueiro no porto de Roterdã, vemos operações de carga e descarga em tempo real, onde podemos perceber nitidamente como o guindaste movimenta o contêiner.


O processo é tão automatizado em Roterdã que o caminhão que vemos trazendo o contêiner é totalmente robotizado, sem motorista.

Toda movimentação é um processo limpo de se ver, mas muito difícil de fazer. Experimente pendurar uma chave em um cordão de uns 30 cm e movimentá-la com a mão de um lado para outro sem deixá-la oscilar. Manualmente é complicado fazer.

Que dizer então de um sistema que movimente contêineres de várias toneladas, e que a cada unidade movimentada tem uma massa diferente a ser acelerada e freada, exigindo que o deslocamento do carro superior se adapte à cada carga transportada?

A reposta completa de como esta mágica é feita é bastante complexa, mas uma das suas peças chave está no acionamento por motores elétricos.

Estes guindastes podem ser alimentados diretamente pela rede elétrica regular, ou possuem grupos geradores acionados por motores Diesel. Esta última configuração não é diferente do usada em locomotivas diesel-elétricas, grandes navios, submarinos, e até em grandes caminhões de mineração.

E não são apenas estes exemplos. No mundo inteiro, e em todos os ramos onde a automação tomou a cena, os acionamentos elétricos e, em menor participação, pneumáticos e hidráulicos substituíram os sistemas originais com inúmeras vantagens.

No ramo das máquinas-ferramenta (máquinas que fabricam outras máquinas, como tornos, fresadoras e plainas), a introdução da automação digital eliminou complexas caixas de engrenagens de sincronização de movimentos simples dos diferentes eixos da máquina, e os substituiu por acionamento direto por motores elétricos especiais (servo-motores). Ao invés de mecanismos rígidos de sincronismo, as máquinas-ferramenta computadorizadas sincronizam movimentos complexos de múltiplos eixos através do software de controle do computador.

Vejam o verdadeiro balé que esta fresadora CNC é capaz de fazer, num processo totalmente automatizado, para esculpir um bloco de motor V-8 a partir de um bloco sólido de alumínio. A precisão do conjunto pode ser vista pela qualidade polida das superfícies geradas:


Estas máquinas até possuem alguns acionamentos pneumáticos e hidráulicos, mas são essencialmente dependentes da flexibilidade, versatilidade, alta eficiência, da natural docilidade ao comando dos motores elétricos, além da sua total compatibilidade com os computadores, com quem compartilham a mesma natureza elétrica.

Máquinas como estas seriam impossíveis de existir neste grau de perfeição se dependessem de motores de combustão interna para o acionamento.

Quem estranha a entrada da tração elétrica nos automóveis desconhece que este é um dos últimos grandes setores onde este fenômeno de penetração dos motores elétricos está ocorrendo. Entretanto, no automóvel o uso do motor elétrico para tração é mais uma aplicação onde suas vantagens sobressaem.

Veja o vídeo a seguir, sobre o controle de tração.


Cada pneu tem uma determinada capacidade de tração e que pode variar a cada instante. Quando a potência transferida para a roda pela transmissão ultrapassa essa capacidade de tração, o pneu desgarra e acelera. Com o escorregamento, a potência transferida para a roda é diminuída.

Quando desgarra, o atrito do pneu com o solo passa de atrito estático, mais alto, para atrito dinâmico, mais baixo, mantendo a roda girando com uma força de tração inferior à da roda aderida ao solo.

Desacelerar a roda é uma necessidade para eliminar o escorregamento, porém, quando a roda para de escorregar, a potência transferida está bem aquém da limite.

Para aproveitar ao máximo a capacidade de tração do pneu, seria necessário operar no limiar de escorregamento, e quando escorregar, perceber a aceleração e a diminuição da potência numa fração ínfima de tempo e atuar sobre o motor para evitar o disparo.

Esta condição ideal é difícil de ser alcançada usando um motor de combustão interna. Este tipo de motor é uma máquina térmica complexa, com a potência sendo controlada por meios indiretos e muito imprecisos.
Sendo uma máquina que opera em estágios cíclicos (tempos), só é possível controlar a potência gerada no ciclo seguinte, o que representa um intervalo de tempo considerável para o fenômeno de perda de aderência do pneu.

Um exemplo numérico: num carro andando a 10 metros por segundo (36 km/h), usando um motor de 4 cilindros, 4 tempos, girando a 3000 rpm. Nele temos um intervalo entre ignições de 10 ms. Neste exemplo, se o pneu desgarrar no exato instante da ignição, ele irá escorregar por 10 cm antes que a ignição corrigida do cilindro seguinte tente recuperar a tração do pneu. E se esta nova ignição não for suficiente, o pneu continuará escorregando por outros 10 cm antes que uma nova tentativa, com correção mais severa, seja feita.

Depois que a tração foi recuperada, as correções de redução de potência tem de ser retiradas aos poucos para evitar novo escorregamento.

Para piorar ainda mais este quadro, o controle principal de potência de um motor de ciclo Otto, a borboleta de aceleração, oferece uma resposta ainda mais lenta que esta calculada para ser utilizada num controle de tração.

A tecnologia atual de controle de tração usa principalmente uma redução do avanço de ignição e um grande enriquecimento de mistura como formas de reduzir a potência por meio de uma diminuição da eficiência do motor. Porém, a cada diferente situação de carga, é completamente indeterminado o quanto se perde de potência por se diminuir em "X" graus o avanço de ignição e aumentar em "Y" ms o tempo de injeção de combustível.

Em resumo, como o motor de combustão interna oferece uma velocidade de resposta da mesma ordem de grandeza do fenômeno de perda de tração, e as alterações dos parâmetros de funcionamento do motor causam variações desconhecidas na potência, é necessário que o controle de tração corte acentuadamente a potência para depois recuperá-la vagarosamente, fazendo o conjunto de tração operar numa potência média bem abaixo da limite.

Para os especialistas em automação, acostumados com sistemas eletrônicos que operam em milionésimos de segundo , o motor de combustão interna é uma máquina de caraterísticas muito ruins para controle fino.

A indústria automobilística tem investido bilhões de dólares nas últimas décadas para desenvolver controles de tração eficientes, porém ainda estão longe do ideal, já que estão tentando compensar na tecnologia de controle eletrônico uma deficiência natural e incontornável do motor de combustão interna.

Se um sistema de tração pudesse reagir com uma velocidade de resposta 100 vezes superior ao do motor de combustão interna, poderia operar tranquilamente no limiar de tração do pneu, mesmo com variações bruscas neste limiar (passar de asfalto seco para grama molhada, por exemplo), e sem um sistema de controle tão complexo.

O motor elétrico pode operar desta forma, e fazê-lo de uma forma melhor que o motor de combustão interna.

O motor elétrico tem uma natureza completamente diversa daquela do motor de combustão interna. Ao invés de uma máquina complexa, cheia de mecanismos e dispositivos auxiliares, o motor elétrico nada mais é que um transformador de potência elétrica para mecânica e vice-versa, já que é uma máquina reversível.

A potência que este motor transforma em mecânica provém de uma fonte, que pode ser uma simples bateria, um dispositivo completamente passivo, ou vir de um inversor eletrônico ativo.

É esta característica que coloca o motor elétrico muito acima do motor de combustão interna em termos de controle, pois nele controla-se diretamente a potência que é transformada num dispositivo externo a ele, e não parâmetros indiretos que influenciam nela.

Nos inversores, a potência elétrica é controlada em frequências de alguns quilohertz, muito acima dos poucos Hertz de operação dos motores de combustão interna, permitindo controlar o limite de aderência do pneu ao solo em frações de milímetro.

Vamos dar mais um passo. Vejam este vídeo sobre ABS:


Nele vemos nitidamente que o sistema convencional de freios com ABS sofre da mesma limitação que o o sistema de controle de tração. A baixa velocidade de resposta do sistema ainda causa um travamento perceptível da roda, mesmo depois de mais três décadas de pesquisas incessantes sobre ele.

Modular a pressão hidráulica das pinças é um meio indireto e impreciso de controlar a potência de frenagem.

No motor elétrico, a diferença entre tracionar e frear depende exclusivamente do balanceamento entre potência mecânica fornecida pela roda e a potência elétrica fornecida pelo inversor. As características de alta velocidade de resposta e controle direto de potência presentes durante a tração são exatamente as mesmas para a frenagem. A frenagem através do motor elétrico pode ser feita mais próxima do limite do conjunto de pneu e piso do que com o sistema ABS convencional, e o veículo consegue parar num espaço ainda mais curto.

E ainda temos que considerar que a frenagem pelo motor elétrico é regenerativa, reaproveitando a energia cinética do carro, que vira calor nos freios convencionais.

O uso moderno de motores de corrente alternada na tração possui outra grande vantagem.

Quando usado um motor de combustão interna com potência suficiente para o pneu perder a aderência, a redução súbita do torque resistente da roda a faz disparar. Para readquirir a aderência, a roda precisa ser freada para reduzir novamente sua velocidade, o que nunca é instantâneo por causa da sua inércia.

O mesmo se verifica na atuação dos freios convencionais, com a roda tendendo ao travamento.

Já motores de corrente alternada tem sua rotação dependente da frequência de alimentação. Estamos acostumados a ligar na tomada os mais variados tipos de motores, e não os vemos disparando, mas sim atingindo uma rotação de regime.

Eles reagem apenas ao torque resistente, mesmo com uma fonte de alimentação não controlada (tomada) de frequência fixa (60 Hz).

No automóvel, se o motor elétrico aplicar potência suficiente para o pneu desgarrar, não será verificado nenhum disparo de rotação da roda, mas sim uma diminuição da potência exigida do inversor pela redução do torque resistente. Sem o disparo, fica para o inversor apenas a função de recalibrar a potência fornecida ao motor para recuperar a aderência, e o veículo segue tracionando no limite de sua capacidade. O mesmo ocorre na frenagem regenerativa.

Por natureza, os motores de corrente alternada agem de modo estabilizante, colaborando com o inversor e diminuindo o esforço do software de controle em manter a roda aderida ao solo no limite de tração.

Já os sistemas atuais de ABS e controle de tração lutam contra a natureza instabilizante do motor de combustão e dos freios, fato que tem pesado negativamente no desenvolvimento destes sistemas.

A tecnologia dos carros convencionais tirou proveito de todo sistema já instalado de ABS e controle de tração para dar um passo adiante, criando os sistemas de estabilidade.

Uma vez que num carro convencional não possuímos controle de potência por roda, o controle de estabilidade utiliza individualmente os freios de cada roda para criar uma tração desbalanceada e ajudando o veículo a fazer uma curva no limite de aderência, tirando proveito dos pneus ainda aderidos ao piso.

Entretanto, por utilizar o sistema de freios, o controle de estabilidade atual sofre dos mesmos limites impostos pelo ABS, além do fato de não poder atuar aumentando a tração onde é possível.

O controle de estabilidade também só atua quando o carro sensivelmente demonstra que perdeu sua capacidade direcional normal, não controlando as potências de tração e de frenagem, e não colaborando em momento algum durante a condução normal do veículo.

Num veículo de tração elétrica com motores independentes nas 4 rodas, um sistema central pode coordenar a potência em cada roda a cada curva, tanto em tração como em frenagem e em sincronismo com os movimentos do veículo, facilitando sua condução mesmo bem longe dos limites de aderência e tirando um proveito maior e mais seguro dos pneus.

Este é o caminho apontado pelo Mercedes-Benz SLS AMG na sua versão elétrica.

Este carro usa dois conjuntos duplos de motores e redutores totalmente independentes, porém integrados numa mesma caixa, fabricada pela Getrad.

Entre suas especificações, cada um destes motores possui potência nominal (constante) de 77 kW (~105 cv), potência máxima de 150 kW (~204 cv), e torque máximo de 300 Nm (~30,6 kgfm) e rotação máxima de 12.000 rpm.

O inversor do conjunto já possui software de balanceamento de potência ("balanceamento de torque") para estabilidade direcional (chamado pelo fabricante de controle vetorial) do veículo em linha reta, o que já mostra o começo da evolução da tração elétrica que temos comentado até aqui.

É interessante notar a simplicidade construtiva deste carro possibilitada pela modularização de seus componentes chaves (powertrain, inversores e baterias).


Os motores elétricos são bem menores e de formato muito mais conveniente (puramente cilíndricos) que motores de combustão interna equivalentes, permitindo que sua instalação fique rente ao assoalho, abaixando e balanceando o centro de gravidade do veículo, e dispensando um grande espaço sob o capô, obrigatório para o modelo a gasolina. Eles também possuem torque suficiente ao longo de uma faixa bem ampla de rotações para exigirem apenas de um pequeno redutor de relação fixa, ao invés de um câmbio complexo.

Este conjunto dispensa uma série de itens de manutenção periódica e de desgaste existentes nos automóveis a combustão interna, como óleos, filtros, velas, embreagem etc.

Por serem componentes elétricos, inversores e baterias podem ser instalados onde forem convenientes, diferente dos componentes mecânicos que necessitam de alinhamento perfeito entre as partes e possuem ordem certa de montagem.

Enquanto num automóvel convencional é preciso uma central eletroidráulica complexa e cara para o ABS, num veículo elétrico como o SLS com motores nas 4 rodas, a mesma função pode ser desempenhada por um software que opera no processador do inversor.

Num automóvel convencional já fabricado, quando há uma evolução na tecnologia do ABS, um upgrade só é possível através da substituição completa da central eletroidráulica, o que geralmente é caro demais. Num veículo como o SLS elétrico basta um upgrade de software como o que estamos acostumados a fazer em nossos computadores.

Comparativamente, é o mesmo processo de substituição das caixas de engrenagens, de automação rígida e limitada das máquinas-ferramenta, por um sistema flexível muito mais avançado, eficiente e simples.

Porém, o SLS está muito distante de ser o modelo de referência para os futuros carros de tração elétrica.
Muitas tecnologias hoje presentes nos automóveis convencionais ainda precisam ser adaptadas e desenvolvidas, assim como os conceitos que precisarão evoluir.

Vejam neste vídeo como a Siemens, uma das maiores e mais importantes fabricantes mundiais de motores e equipamentos elétricos, pensa sobre um possível futuro veículo de tração elétrica:


A concepção da Siemens, viável tecnologicamente hoje, só é possível graças à enorme versatilidade de projeto de motores elétricos.

Porém, é exatamente esta versatilidade que cria um "santo graal" que a indústria automotiva tem procurado. Embora a tecnologia de tração elétrica esteja plenamente disponível hoje, ninguém realmente sabe qual a configuração nem a disposição ideais destes componentes em um automóvel. As opções são inúmeras, cada uma com vantagens e desvantagens.

Grandes fabricantes, como BMW, Ford, Peugeot e Nissan já destinaram cifras bilionárias para pesquisas no campo dos carros elétricos e híbridos para achar a melhor configuração. Entretanto ainda é nítida a enorme diferença entre os projetos de cada um deles, mostrando que os conceitos de cada equipe ainda não convergem para um modelo ideal.

Por outro lado, com o constante aperto das margens legais de emissões de poluentes, estes mesmos fabricantes vem se ressentindo da "crise de meia idade tecnológica" do motor de combustão interna.

As promessas de melhorias para ele ainda são muitas, e boa parte delas, reais. Entretanto, não se menciona que tudo o que era fácil e barato de ser feito já foi feito, e que há pouco a se ganhar em desempenho máximo, mas sim em regimes intermediários.

Esta máquina, há 40 anos um símbolo da simplicidade mecânica, hoje está cercada de toda uma parafernália de fios, sensores e atuadores de todos os tipos, tal qual um doente terminal em uma UTI.

A tecnologia capaz de elevar a novos níveis de rendimento, potência e emissões dos motores a pistão, o sistema eletromagnético de abertura controlada de válvulas, ainda é apenas uma experiência de laboratório. Seu substituto provisório, o variador de fase das árvores de comando não é unanimidade entre os fabricantes nem mesmo dentro de suas próprias linhas de motores, e quando são adotados, não há formas de não impactar no custo final do motor.

Outra grande promessa tecnológica de mais de 30 anos, a da injeção direta de combustível, também só aparece em automóveis onde o alto custo do sistema pode ser diluído, e, portanto, está longe dos modelos mais populares.

A indústria também não encontrou alternativa aos caríssimos catalisadores de cerâmica a base de metais raros, e deles os motores estão cada vez mais dependentes.

Muitas destas dificuldades técnicas estão ligadas a uma incompatibilidade entre a natureza e o uso que se faz do motor de combustão interna no automóvel, agravada pelos parâmetros de legislações ambientais cada vez mais rigorosos.

Motores de combustão interna são mais eficientes num ponto bem específico de rotação e carga, porém o uso que fazemos hoje dele no automóvel exige ampla variação de rotações e de potências. As fábricas, ao projetarem motores tem que atender a esta resposta ampla para melhoria da dirigibilidade, o que piora o rendimento e as emissões, se veem obrigadas a usar tecnologias sofisticadas e caras para atender às normas de emissões sem deixar de atender aos desejos dos consumidores.

A atual tendência de usar motores menores com turbo e acelerador eletrônico ("drive-by-wire") no lugar de motores maiores aspirados (downsizing), e os sistemas de vários catalisadores e várias sondas lambda demonstram este ponto.

Alguns carros híbridos partem de princípios opostos a estes. Ao usar unicamente motores elétricos na tração, o motor de combustão interna deixa sua função tradicional para virar um "burro de carga" que aciona um gerador elétrico para a alimentação de motores e recarga das baterias. Este motor pode operar na maior parte do tempo nas suas condições mais favoráveis de rotação e potência, independente do regime em que o veículo estiver sendo usado, já que o excedente de potência é direcionado para a recarga das baterias. E uma vez que a recarga tenha sido completada, o motor de combustão pode ser desligado.

Como este motor opera na maior parte do tempo em regimes bem definidos, todo seu projeto pode ser otimizado para estes poucos pontos, dispensando muitas tecnologias que usamos nos motores atuais e ficando mais simples. Ele também pode ser menor, já que a potência máxima que os motores elétricos necessitam pode vir da soma das potências do motor de combustão e das baterias.

Existem vários artigos falando dos carros elétricos e híbridos, chamando-os de ecológicos ("verdes") e da grande economia de combustível que proporcionam. Sendo escritos por quem não é da área de engenharia elétrica, ou mesmo por quem quer apenas criar uma imagem para uma nova categoria de veículos, pecam por não expor toda a realidade técnica.

Em todos os ramos em que entrou, acionamentos elétricos comandados por computadores introduziram tantas características inovadoras desejáveis sobre os sistemas precedentes, que estabeleceram um degrau tecnológico que não pode ser acompanhado pelos sistemas mais antigos, e passaram a dominar aquele ramo.
Não foi só a eficiência energética que se impôs, mas sua flexibilidade, a alta sensibilidade e a alta docilidade ao comando mesmo nos sistemas mais potentes, a ausência ou a simplicidade de acessórios e sistemas de apoio, a quase ausência de manutenção são apenas algumas caraterísticas vencedoras entre tantas outras que este sistema oferece.

O automóvel, enquanto peça de engenharia, não é diferente das outras aplicações, e sistemas de tração elétrica são capazes de levá-lo a novos patamares de estabilidade e desempenho.

Em outras áreas, bastou o sistema evoluir e sobressair pelas suas vantagens para começar a imperar.
No automóvel, enquanto elemento fornecedor de energia mecânica para as rodas, o motor elétrico é um rival sem precedentes para o motor a combustão.

Embora o motor a combustão tenha vencido a disputa no começo da história do automóvel, hoje ele se vê encurralado entre o desejo dos consumidores, as normas de emissões de poluentes e o custo de fabricação. Enquanto isso, o motor elétrico evoluiu muito em outras áreas e encontrou um parceiro ideal nos computadores. Agora está retornando ao campo de batalha completamente renovado.

É muito comum haver opiniões contrárias à tração elétrica, e as críticas quase sempre apontam para os mesmos elementos: as baterias.

Entretanto, por mais que estas críticas estejam corretas sobre elas, acabam falhando por generalizarem e condenarem o sistema como um todos, sem considerarem que as baterias não são tão vitais ao sistema.
Locomotivas Diesel-elétricas acionam seus motores elétricos de tração diretamente pelo grupo gerador e não usam baterias, e nem por isso deixam de ser convenientes. O mesmo ocorre com navios e os grandes caminhões de mineração.

Um automóvel pode funcionar no mesmo esquema das locomotivas diesel-elétricas e usufruir de todas as vantagens da tração elétrica mesmo sem a instalação de um grande conjunto de baterias.

Este mesmo esquema pode trazer de volta as turbinas a gás, muito mais eficientes que as máquinas térmicas a pistão. Testadas no Chrysler Turbine, não se adaptaram às necessidades de ampla variação de rotações e cargas dos automóveis e foram abandonadas.

Porém, acionando um gerador elétrico, sua alta eficiência em condições favoráveis de rotação e potência cria interesse em sua aplicação num automóvel.

A entrada da tração elétrica nos automóveis será lenta e gradual, porém, se repetir o feito em outras aplicações, será um caminho sem volta.

Quem associa esta tendência de carros elétricos e híbridos a modismos e brinquedos, é bom se preparar. O motor elétrico é como um gato que tem uma pata muito macia, mas deixa bem ocultas as garras afiadas.

AAD

Obs: Para quem quer ter uma noção do que é uma tração e frenagem feitas por um motor elétrico, tente andar num elevador de alto padrão bem ajustado. É possível transitar por vários andares sem sequer perceber que a cabine se moveu. Estes elevadores de alto padrão, para manter esta sensação, só acionam o freio mecânico de estacionamento após 3 segundos da cabine nivelada no andar, garantindo que os passageiros não tenham qualquer sensação adversa. Todo movimento, da partida em um andar até a parada total em outro, é totalmente feito através do motor elétrico de tração.

O elevador de hoje será o carro de tração elétrica de amanhã.

33 comentários:

  1. Ótimo post André.

    Me lembrei das minhas aulas de robótica quando tecnólogo no Senai, em que era possível soldar dois alfinetes com total precisão operados por robôs... isso há mais de 10 anos atrás.

    Além da questão de disponibilidade de torque dos motores elétricos, outra vantagem é praticamente 100% de controle de atuação em diversas operações.

    Mesmo que não sejam motores de passo, os motores de potência já permitem mais controle.

    Uma vez ouvi que os motores à combustão têm eficiência de 20 a 25% da energia gerada em relação ao que efetivamente entra em trabalho, isso procede?

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  2. com certeza, Rodrigo, esta informação procede.

    Considerando o balanço energético de um motor à combustão, de 100% de energia gerada através da combustão:
    - 30% são efetivamente transformados em trabalho de eixo;
    - 35% são perdidos pelos gases de exaustão;
    - 28% são perdidos através do resfriamento de óleo ou água;
    - 7% constituem outras perdas (perdas por atrito ou inércia, entre outros...);

    Neste aspecto, dividindo-se o trabalho de eixo efetivamente criado, pela energia total gerada através da combustão, tem-se um rendimento termodinâmico de cerca de 30% para um motor de combustão interna.

    Agora se vc considerar que se um automóvel fica parado em um semáforo, com o motor gerando trabalho de eixo para nada, ou se um veículo não tiver manutenção adequada durante sua vida útil, as perdas termodinâmicas efetivas são maiores ainda.

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  3. Sensacional, parabéns. E o Tesla Roadster já está aí para provar que com "apenas" 200 e poucos cavalos tem desempenho de superesportivo.

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  4. AAD,

    Parabéns pela abordagem do assunto, porém eu sempre vejo um problema que ninguém cita, e que ainda vai atrasar bastante e entrada "de vez" dos motores elétricos nos automóveis: o enorme peso dos motores.

    Basta compararmos o peso de um motor de combustão interna atual com o do motor elétrico de indução. Por exemplo, um LS7 rende 505HP e pesa 200kg. O melhor motor de indução de 500HP pesa quanto? Mais de 1000kg!

    E como sabemos, o peso (ou melhor, a massa) de um carro colabora muito para a ineficiência energética do carro como um todo. Voce deve estar pensando na frenagem regenerativa, mas ela tem outro problema pouco relatado: consiste em converter energia cinética em energia elétrica e "socá-la" nas baterias. Acontece que o ciclo de carga-e-descarga das baterias também é BEM ineficiente.

    Experimente comparar a curva de carga com a de descarga de uma bateria qualquer (pode ser chumbo-ácido, NiCd, NiMH, Li-ion ou Li-Polymer) e voce constarará qual é o rendimento real delas. Daí, num carro elétrico superpesado, teremos problemas com rendimento global dele.

    Concordo plenamente que, hoje, o melhor caminho para autonomia são as turbinas a gás, e talvez com isto o GNV deslanche como combustível (pois ele é ineficiente quando usado nos motores de combustão interna, mas muito eficiente nas turbinas). E aí teremos outro problema: matriz energética. É praticamente impossível converter nossa matriz baseada em gasolina e diesel em gás, ou seja, teremos que desenvolver turbinas para gasolina (já temos a diesel).

    Muito investimento em P&D precisa ser feito nos motores elétricos para que eles "passem por uma dieta". Muita pesquisa foi feita na área de baterias, com resultados promissores, mas enquanto o peso dos motores de indução não for resolvido, a promessa dos carros elétricos realmente úteis e tão usáveis como nossos atuais vai continuar só para o futuro.

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  5. AD, outra vez um texto sensacional. Muita gente fica aqui esperando pelos seus textos técnicos que são escritos com uma linguagem clara e rica.

    Só gostaria que esclarecesse uma dúvida: Motores elétricos não necessitam de caixas de marcha por produzirem torque 'constante' enquuanto gira?

    Não é a potência instantânea que faz o carro acelerar? Logo, se em baixos giros (10 rpm por exemplo) ele produzir uma potência baixa, o carro vai conseguir acelerar forte só com o torque 'cheio'?

    Resumindo: o torque é perceptível sem saber qual o giro do motor?

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  6. Ótimo texto, André.

    Acho também que o motor elétrico é o futuro, não há como fugir disso. Mas uma coisa me questiono quanto ao fator ambiental:

    A maioria dos países operam no limite de sua capacidade energética, e aumentar essa capacidade demanda essencialmente termoelétricas, usinas nucleares (o que fazer com o lixo nuclear?) ou então hidroelétricas que embora sem resíduos, causa grande impacto em sua construção (vide China e Brasil). Não estaríamos trocando 6 por meia dúzia? De onde viria toda a energia elétrica se todos os carros do mundo virassem puramente elétricos?

    Há muito o que evoluir em fontes renováveis e com baixo impacto ambiental como eólica e solar para diminuir o impacto dos motores à combustão. E fontes renováveis vegetais como cana de açúcar ou outras causam grande impacto, seja na monocultura, qualidade do ar durante as queimadas, devastação de florestas, perda do solo para outras culturas, sem contar do fator econômico e político que continuaria existindo assim como o petróleo.

    É difícil prever o que vai acontecer, mas com certeza será interessante!

    Abraços, e mais uma vez, parabéns pélo texto.

    César Dias

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  7. O problema do carro elétrico é justamente o que resta das baterias e da geração da eletricidade.

    Imaginem um problema de vazamento de material radioativo nas proporções do vazamento de petróleo no golfo do México.

    E os projetos da BMW com a utilização do hidrogênio?

    Com certeza, os investimentos na área de alternativas ao petróleo se fazem cada vez mais urgentes.

    Mas, como meio de transporte, os investimentos devem ser concentrados em transporte de massa. O carro individual, mesmo que não utilizando petróleo, não deve ser alternativa ao transporte de grandes metrópoles.

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  8. Acho que só o Brasil teria condições de manter carros elétricos em conjunto com os movidos a etanol.

    AD, belíssimo texto. Bem elucidador. Você sabe o porque que o GM EV1 saiu de linha?

    Abraços.

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  9. Cesar,

    Pessoalmente acho 6 por meia dúzia também. Me parece que como as coisas estão sendo conduzidas é mais uma solução política do que técnica.

    Uma coisa que teremos que reaprender é o uso do carro. Car-sharing, aluguel facilitado, ir à padaria a pé, esse tipo de coisa.

    Energia nuclear é interessante, assim como o hidrogênio, mas aí o problema político fica ainda mais evidente.

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  11. Bussoranga,

    Mas um motor à combustão de determinada potência tem aproveitamento de 30% no final, e um motor elétrico tem aproveitamento muito maior, então não precisaríamos de um motor elétrico de mesma capacidade em substituição, podendo ser menor e mais leve, procede?

    Mesmo a oferta de torque desde 1 rpm acaba contribuindo mais para motores pequenos e mais leves em ciclo urbano.

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  12. O motor eletrico fornece torque desde zero rpm e portanto não necessita de uma caixa de marchas como o motor a explosão, na pratica bastam duas marchas, as locomotivas usam motor diesel acoplado a um gerador e ligado em um motor eletrico porque seria neceesária uma caixa de cambio com dezenas de marchas, cada vagão pesa carregado umas 70 a 100 toneladas, ja vi trens de carga com 50 vagões, haja torque pra partir.
    A solução mais viável para um automovel é motor a explosão + baterias pequenas + motor eletrico usado na partida e em baixas velocidades, as baterias armazenam energia das frenagens gerada pelos motores eletricos , é assim num carro hibrido, as baterias são pequenas e não pesam nem custam tanto.
    Ha um problema grave que ocorrerá no futuro: as reservas mundiais de litio(por exemplo) usado na fabricação das baterias se acabarão em uma decada, isso ninguem se tocou ainda.

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  13. RC,

    Não procede. As potências informadas nos motores de combustão interna são valores líquidos na saída do motor, ou seja, potência mecânica disponível, que é exatamente a mesma que o motor elétrico deveria fornecer para se obter desempenhos similares.

    RH,

    Reciclagem de baterias é um problema gravíssimo e que tem que ser resolvido, caso contrário o carro elétrico se tornará inviável.

    Utilização de hidrogênio em motor de combustão interna definitivamente é uma barca furada. O rendimento, ao contrário do que se diz, é ruim, pois a combustão do hidrogênio não gera expansão, e sim compressão!

    O petróleo ainda será dominante por muito tempo, por uma razão simples: é uma das formas de energia que oferece a mais alta densidade de energia (energia por kg ou por litro) do mundo. Por isso a idéia do AAD de se utilizar turbinas a gás com transmissão elétrica é excelente.

    Ao invés de se usar turbinas a gás pode-se usar turbinas a diesel, e futuramente turbinas a gasolina. Mas tudo isso ainda esbarra no peso gigantesco dos motores elétricos.

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  14. Cara, que brochante, os carros serão substituidos por eletrodomésticos...

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  15. Novamente, obrigado a todos pelos elogios.

    Rodrigo Ciossani, MFThomas, o rendimento máximo de um motor de ciclo Otto gira em torno de 32%, 35% nos melhores.
    Em marcha lenta, evidentemente o rendimento é zero.
    Em uso urbano normal, com carga parcial, esse rendimento está na faixa de 15 a no máximo 20%.

    Bussoranga, eu também já tive essa mesma dúvida sua sobre o peso dos motores, e tive que me aprofundar na engenharia deles pra entender como as coisas funcionam.

    Se vc for no site da WEG, vai ver que um motor de indução industrial de 100 cv pesa 700 kg!!!.
    Porém, no artigo vemos que os motores do SLS tem 105 cv nominais (204 cv de potência máxima) cada um, e o conjunto com dois motores mais o redutor pesa 150 kg (veja o link na matéria).
    Estamos falando de 832 cv máximos com 300 kg de powertrain contra 505 hp em 200 kg do LS7, e nessa conta ainda está o peso dos redutores contra o peso limpo do motor de combustão, sem acessórios e sem câmbio. É uma base de comparação de respeito.

    Mas como explicar a diferença entre o motor da WEG e da Getrad?

    Bem, potência é o produto de torque pela rotação, certo?
    Olha pra rotação do motor da Getrad: 12.000 rpm.
    Já o motor da WEG tem rotação muito baixa, da ordem de 300 rpm. Funcionando nas suas rotações máximas à mesma potência, o motor da WEG tem que fornecer um torque 40 vezes maior que o motor da Getrad.
    Só que nas equações de dimensionamento do motor de corrente alternada aparece um termo que mostra que torque depende da intensidade do campo magnético gerado no motor. A intensidade desse campo magnético depende da massa de núcleos (estator e induzido) do motor, e do tipo de material que compõe esse núcleo.

    Se fosse usado o mesmo material nos dois motores, o motor da Getrad poderia ser 40 vezes mais leve que o da WEG.

    Como o motor da Getrad é feito para uso com inversor, e a rotação de 12.000 rpm é compatível com uma frequência de 200 Hz (bem acima dos 60 Hz do motor da WEG), os núcleos do motor da Getrad precisam ser de um aço magnético especial, e ter uma laminação e um corte especiais para isso, reduzindo ainda mais esse tamanho.

    Motores elétricos projetados desse jeito podem ser mais leves e menores que seus equivalentes a combustão para uma mesma potência.

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  16. Bussoranga, sobre a recarga das baterias vc está certo em parte.
    Os fabricantes de baterias estão anunciando uma nova geração que permite recarregar até 80% da carga total em apenas meia hora. Já melhorou bastante o problema da frenagem regenerativa.

    Porém, hoje nem se cogita apenas o uso de baterias em elétricos. No súltimos anos se tornaram práticos os chamados ultra-capacitores. Estes, por armazenar energia na forma de acúmulo de carga ao invés de armazenamento químico, podem ser carregados e descarregados praticamente em corrente de curto-circuito.
    Em vários projetos de elétricos e híbridos, os ultra-capacitores são montados como uma fonte alternativa de de energia elétrica.
    Quando opera em frenagem regenerativa, essa energia vai pros ultra-capacitores. Quando acelera, primeiro se gasta a carga dos ultra-capacitores pra só depois drenar carga das baterias.
    Não há grandes problemas técnicos nesse esquema.

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  17. Cesar, não é bem trocar seis por meia dúzia.

    Eu costumo dizer que se vc tem energia pra mover um carro convencional, vc tem energia pra mover dois ou três elétricos ou híbridos.

    O modo como os automóveis operam hoje faz o motor de combustão operar fora do seu ponto de rendimento máximo. Na média, o motor consome o dobro do que deveria.
    Se vc tiver um híbrido, o motor de combustão opera no seu ponto de rendimento máximo, recarregando baterias, o que vc consumiria num carro convencional gasta a metade no híbrido só por melhorar o rendimento.

    No carro elétrico ou no híbrido plugável, o litro de combustível que vc queimaria no seu carro convencional seria queimado numa turbina a gás de uma usina termoelétrica. Turbinas a gás de grande porte rendem mais ou menos o dobro do máximo de um motor Otto. Se vc tem um carro convencional que faz 15 km/l em determinada condição, queimando o mesmo combustível numa usina e carregando o carro na tomada vc faz o equivalente a 60 km/l.

    Então, o problema dos elétricos e híbridos não é a falta de energia, desde que não haja falta de combustível pros carros convencionais. O problema é construir as usinas e as linhas de transmissão. O resto é sossegado.

    O elétrico ou híbrido plugável ainda permitem que qualquer fonte de energia original possa ser usada pra movimentar os carros.

    Vc tem noção, por exemplo, de quanta energia jogamos no lixo e no esgoto? É tanta que tem uma cidade do Japão que é auto suficiente só aproveitando o lixo e o esgoto gerado na própria cidade.
    Essa é uma quantidade enorme de energia que, ao não aproveitarmos, só vai servir pra poluir o ambiente.

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  18. Andre, parabéns por seus textos. Verdadeiras aulas.

    Abraço

    Lucas crf

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  19. AAD,

    Normalmente não se faz motores elétricos de rotação tão alta justamente porque os materiais ferromagnéticos necessários e respectivos processos de laminação se tornam caríssimos. Mas tudo bem, indica que deve-se centrar esforços no barateamento da produção de tais materiais.

    Quanto às baterias, o ultra-cap ainda tem um looooongo caminho até conseguir armazenar toda a energia necessária para uma viagem, isto é, substituir as baterias. A eficiência dele (em termos de energia que sai/enegia que entra) é muito boa, e o peso (massa) idem.

    Gostei da sua analogia quanto ao upgrade do carro se reduzir a upgrade de software, mas isso tem limitações, por exemplo, sempre estaremos em busca de materiais melhores, mais leves, e energeticamente mais eficientes, mesmo enquanto aplicamos melhores softwares de controle de tração e frenagem.

    Falando em frenagem, porque ainda ninguém fez um ABS baseado em estimação dos coeficientes de atrito estático e dinâmico, com um torquímetro permanente nas rodas? Assim, o carro saberia qual o máximo torque que pode ser aplicado (com alguma margem de segurança) que não faz a roda escorregar (pneu destracionar) e evitaria que tal limite seja superado. Assim não teríamos que conviver com o "trava-destrava" que os ABS atuais fazem centenas de vezes por segundo. Um algoritmo auto-adaptativo poderia ir "aprendendo" a curva de frenagem ótima.

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  20. Não concordo com não ser necessário caixa de marchas. Sem isso as acelerações seriam lentas e perigosas e/ou a velocidade máxima seria bem limitada.
    Quem nunca reduziu a marcha para buscar mais aceleração mesmo o motor estando em uma rotação em que entrega mais de 80% do torque máximo (p. ex. 2.500 RPM)?
    E para arrancar em subida? Experimentem arrancar com o carro carregado numa subida com a 2ª marcha deixando patinar a embreagem na rotação de torque máximo pra ver se sobe. Mesmo que você consiga esse milagre o carro dificilmente passará de 80 km/h (num motor de 6.000 rpm, ou 160 considerando a mesma relação num motor de 12.000 rpm).

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  21. sencacional essa usinagem do bloco,curiosidade as camisas são de aluminio isso significa se houver um aquecimento de motor e ,em consequencia , um engripamento dos anéis, o motor já era , outro dado curioso como se desperdiça material na confecção desse bloco hein????

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  22. Tenho que descordar sobre o uso das turbinas. Os maiores problemas das turbinas são:
    1) altas emissões de NOx;
    2) rendimento e potência muito sensível as restrições na admissão;
    3) rendimento e potência muito sensíveis a temperatura do ar de entrada;
    Se não me engano, o rendimento do ciclo bryton é inferior ao rendimento do ciclo otto, não me lembro agora. O ideal, do meu ponto de vista, seriam geradores operando em ciclo diesel onde o rendimento é superior ao otto.
    Outra questão sobre turbinas. Em geração elétrica geralmente são utilizadas em ciclo combinado para aumentar o rendimento das mesmas como um todo.

    Sds,

    Cristiano.

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  23. Outra coisa, acredito que o sistema de freios usando o mesmo motor elétrico do carro seja apenas complementar, nunca principal.
    Pense assim: um carro normal leva 66 metros (Gol GTS sem freios ABS) para frear de 120km/h até a imobilidade, no entanto para acelerar da imobilidade até a mesma velocidade leva quase 400 metros, 506% a mais de espaço. No motor elétrico a capacidade de aceleração e de frenagem é a mesma. Portanto ou o carro acelera como uma Ferrari para poder frear razoavelmente como um um carro dos anos 80 ou se usa os tradicionais discos e pinças de freio, pq grudar o pé no freio 400 metros antes para poder parar... sacanagem né?

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  24. Outra coisa, acredito que o sistema de freios usando o mesmo motor elétrico do carro seja apenas complementar, nunca principal.
    Pense assim: um carro normal leva 66 metros (Gol GTS sem freios ABS) para frear de 120km/h até a imobilidade, no entanto para acelerar da imobilidade até a mesma velocidade leva quase 400 metros, 506% a mais de espaço. No motor elétrico a capacidade de aceleração e de frenagem é a mesma. Portanto ou o carro acelera como uma Ferrari para poder frear razoavelmente como um um carro dos anos 80 ou se usa os tradicionais discos e pinças de freio, pq grudar o pé no freio 400 metros antes para poder parar... sacanagem né?

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  25. Freddy,

    Concordo em parte com suas observações. Não se pode pensar em um motor elétrico como se pensa em um motor à combustão. Em muitos motores elétricos modernos, usando inversor ou simples controles eletrônicos é possível controlar quase tudo e com muita eficiência.

    Tem alguns vídeos do Citroen Survolt no youtube em que o carro é um tanto rápido em acelerações e retomadas usando apenas um tipo de cvt. Os freios são menores que seriam em um carro normal justamente por contarem com o auxílio do motor elétrico.

    E tanto os freios quanto a transmissão poderão ser ainda "menores" se pensarmos em quatro motores elétricos aplicados diretamente nas rodas (o que ainda abre novas possibilidades de package possibilitando mais espaço interno em carros menores externamente) fora o fato da tração integral, e a abolição dos sistemas tradicionais de controle de tração e abs, substituídos apenas por software de controle da propulsão.

    Quando essas tecnologias estiverem disponíveis de forma consolidada acredito que os carros mudarão bastante em seu método de construção.

    O Survolt dos vídeos inclusive, não tem som de V8, mas tem um som de turbina de avião que é bem bacana...

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  26. Li este post no celular e agora escrevo meu comentário atrasado.

    Quando o homem descobriu a agricultura o mundo mudou. Ele passou a ficar no topo da cadeia alimentar, domesticando bichos, criando aldeias e tendo idéias geniais como invenção da roda.

    Depois de muitos anos plantando com a mão, chinese inventaram uma maneira de semear grãos finos usando uma máquina puxada por ração animal. Essa máquina evoluiu mecânicamente milhares de anos depois, para ser puxada por um equipamento movido com motor à combustão interna.

    Esta máquina de semear, possui um sistema de distribuição de sementes feito por correntes e engrenagens ligadas a uma roda, muito semelhante as catracas e coroas de uma bicicleta. Um reservatorio armazena as sementes e abaixo dela um sistema mecânico parecido com uma engrenagem pegava as sementes da caixa e deixava cair em tubos condutores até o solo, fazendo assim a semeadura do trigo por exemplo.

    Hoje estão introduzindo motores elétricos na distribuição das sementes e adubo, no lugar das correntes e egrenagens, sensores fazem a leitura do movimento das rodas e giram o distribuidor com precisão. Esse motor elétrico é integrado a um sistema GPS que permite dosar para mais ou para menos a quantidade de sementes e adubo que devem cair no solo, conforme a análise química do solo previamente feita pelo produtor.

    Legal né?

    Um abraço,

    Rafael Aun

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  27. Bussoranga, já trabalhei com motores elétricos especiais, que goravam bem mais que os 12.000 rpm dos motores do SLS.
    Realmente a engenharia deles é toda especial, mas também não é nenhum bicho de sete cabeças, perto de outras coisas a que já estamos acostumados.

    O grande problema desses motores é o fator de escala, como quase tudo no carro elétrico.
    Se o padrão fosse o carro elétrico, tentar fabricar um motor de combustão também seria um problema até a fabricação em escala.

    Os ultra-capacitores hoje não são pensados ara armazenar toda energia para o carro elétrico, mas como ponto de armazenamento da energia transitória de regeneração, ao invés de tentar forçar uma recarga de baterias.
    Nisso eles já são perfeitos. Com o avanço da tecnologia, ficarão ainda melhores.

    Freddy, motor elétrico tem parâmetros muito flexíveis de projeto, ao ponto de dispensar o câmbio.
    Carro elétrico com câmbio geralmente indica um motor elétrico adaptado, feito para outra aplicação.

    Sobre os freios vc está parcialmente certo. Nenhum carro elétrico dispensa os freios convencionais.
    Entretanto, nestes carros o freio convencional é que é auxiliar do freio motor regenerativo, complementando a capacidade de frenagem, se necessário (raramente usado nos carros elétricos urbanos), ou como freio de emergência, caso o motor falhe em gerar a frenagem.

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  28. Bussoranga, sobre o upgrade, nenhuma grande novidade.

    Máquinas comando numérico como aquela fresadora costumam receber upgrades somente de software durante muito tempo.
    Quando ficam obsoletas, é hora de um upgrade de hardware, mas apenas da parte eletrônica. Toda parte mecânica, servo-motores, sensores e atuadores permanecem originais.

    Só nos últimos anos é que andei ouvindo falar em upgrade dos servo-motores de corrente contínua por servos de corrente alternada em alguns raros casos.

    No caso do ABS convencional, as coisas complicam, já que o software é muito específico para a central eletromecânica. Quando esta central fica obsoleta, as atualizações de software para ela também deixam de ser feitas.

    Aun, estamos aos poucos nos aproximando dos limites dos sistemas mecânicos.
    Pense nessa máquina de semear totalmente automatizada e controlada por GPS. Ela deve oferecer um salto em termos de rendimento. Porém, que outras inovações podem ser feitas numa máquina destas para oferecer novo salto de produtividade e rendimento?

    Hoje já começam a aparecer vários sistemas mecânicos com controle eletrônico que estão sofrendo deste mesmo dilema.

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  29. Totiy, esse bloco provavelmente foi feito só para demonstração das capacidades dessa máquina.

    Blocos de motor, mesmo de alumínio, são geralmente fundidos. Geram perdas muito menores de tempo e recursos.

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  30. Sou engenheiro mecânico e vejo a substituição de componentes mecânicos por sistemas eletromecânicos como bem vinda, por uma questão de controle e precisão. Falar que o controle de tração e o ABS serão melhores é insignificante, uma vez que as situações em que são exigidas essas reações estão além da regulamentação legal e do bom senso, o avanço do projeto mecânico das suspensões e transmissões, com amortecimento e distribuição de torque variáveis torna desnecessário descer o nível de reação dos controles de tração e abs até o ponto dos 10 ms. Basta ver a diferença entre um porsche 911 de 1963 e a novíssima série 991 de 2012 (com seus motores boxer pendurados atrás do eixo traseiro) em termos de desempenho, aceleração e consumo (desligando os sistemas de auxílio à condução). Mas existem muitos problemas a serem vencidos. A autonomia é um deles. Hoje estamos acostumados a rodar 500, 600 km com um tanque de combustível e recarregá-lo em 15 minutos, o que é impossível com os veículos elétricos. Foi falado na modularidade do powertrain elétrico e que ele é mais leve se forem adicionados os sistemas auxiliares da propulsão convencional (transmissão). Se incluírmos o sistema auxiliar do elétrico (as baterias), jamais um elétrico será mais leve. Além do mais, se é para ter baixa autonomia, os 505hp do LS7 viram 1500 sem aumento (quase) nenhum de peso. Dizer que a emissão de poluentes é menor em um elétrico também é uma falácia, uma vez que é tirada a emissão de um lugar e jogada em outro. Existe muito misticismo em torno do elétrico, vantagens relativas, não tão convincentes, enfim, um longo caminho para percorrer, que já foram percorridos pelos mecânicos, agora em crise de meia idade, mas que podem gerar excelentes frutos para nós.

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  31. Desculpe o comentário muuuito atrasado, foi recente que lí esse ótimo artigo, feito por que realmente entende. Acho que existe muita desconfiança sobre a tração elétrica em sí. Basta ver o funcionamnto de uma velha locomotiva diesel-elétrica já para saber das infinitas vantagens desta tração sobre a convencional, via caixa de câmbio Tanto é que locomoticas diesel-elétricas destruíram concorrentes diesel-hidráulicas (sem caixa, mas com 2 ou três conversores de torque) e diesel-mecânias (embreagem por conversor + mais caixa epicíclica, como automóvel automático). Sem a tração elétrica o transporte férreo teria sido extiguido a muito tempo ou ainda teríamos a tração a vapor, que é muito superior que com motores a combustão interna a pistão na hora do "vamo-vê". Quando o assunto fica sério, como para tracionar um trem, esqueça motores a pistão ciclo otto ou diesel tracionando, o único jeito é por motores elétricos e por que não utilizá-lo em automóveis e afins? Penso que se isso tivesse acontecido a muito tempo, teríamos hoje carros mais velozes, econômicos e até seguros e bonitos, sem a necessidade de encaixar um motor a pistão com câmbio entre as rodas. Só por curiosidade, entre 1915 e 1922 houve um carro com tração elétrica: o desconhecido Owen Magnetic Car. O que teríamos hoje se outras e grandes empresas o tivessem seguido?

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  32. Parabéns ao autor pelo belo post e aos comentaristas pelo alto nível do debate.

    Aqui em São Bernardo do Campo uma empresa desenvolveu e comercializa, especialmente para exportação (...), ônibus urbanos híbridos: Usam um motor a diesel de 40 cv acoplado a um gerador elétrico, baterias e motores elétricos trifásicos para propulsão. Gostaria de trabalhar lá... :-)

    Alguns circulam aqui na cidade. Tem até articulado!
    http://www.eletrabus.com

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