Arquiteturas de Veículos Híbridos

Tradicionalmente os veículos híbridos eram classificados relativamente à sua arquitetura, sendo que esta podia ser de dois tipos: série ou paralela. No entanto, com os desenvolvimentos realizados nesta área, estas duas designações não são suficientes para

classificar todas as arquiteturas existentes, pelo que, relativamente à arquitetura utilizada, os veículos híbridos são agora classificados como: série, paralela, série-paralela e complexa.

Arquitetura Série

Neste tipo de arquitetura o motor de combustão interna não se encontra mecanicamente acoplado às rodas motrizes, pelo que, o seu funcionamento é sempre realizado em conjunto com um gerador elétrico, responsável por gerar energia elétrica a partir da energia mecânica produzida pelo motor de combustão. A energia elétrica produzida pode ser utilizada para carregar o sistema de baterias, ou pode ser diretamente encaminhada para o sistema de tração do veículo.

O facto do motor de combustão se encontrar mecanicamente desacoplado das rodas motrizes, tem como vantagens a flexibilidade relativamente à colocação do conjunto motor-gerador no veículo, bem como possibilitar que o seu funcionamento se situe apenas na sua região de máximo rendimento. Graças às características dos motores elétricos, é também possível abdicar da utilização de caixa de transmissão, reduzindo assim a complexidade do sistema e o seu custo. No entanto, o rendimento global do sistema é normalmente baixa, pois são necessárias duas conversões de energia (mecânica para elétrica pelo gerador e elétrica para mecânica pelo motor elétrico), bem como três dispositivos para a propulsão (motor de combustão, gerador, e motor elétrico), que aumentam o peso e custo do veículo [3-7]. O esquema da arquitetura pode ser visto na Figura 2.3.

Figura 2.3 – Esquema da Arquitetura Série.

Com esta configuração é possível distinguir seis modos de operação distintos: 1. Modo Puramente Elétrico – O motor de combustão encontra-se desligado, pelo

que a energia utilizada provém unicamente das baterias;

2. Modo Motor de Combustão - A energia utilizada provém unicamente do conjunto motor de combustão-gerador;

Transmissão Gerador Elétrico Baterias Conversor de Potência Depósito de Combustível Motor Elétrico M Motor de Combustão Conversor de Potência Ligação Hidraúlica Ligação Mecânica Ligação Elétrica

3. Modo Combinado – O sistema de tração utiliza energia proveniente do conjunto de baterias e do conjunto motor de combustão-gerador;

4. Modo Divisão de Potência – A potência fornecida pelo grupo motor de combustão-gerador é suficiente para satisfazer as necessidades de condução e carregar as baterias;

5. Modo Carregamento de Baterias – O motor de tração não é alimentado, pelo que a energia produzida pelo motor de combustão e pelo gerador é utilizada para carregar as baterias;

6. Modo Travagem Regenerativa – De forma a aproveitar a energia cinética durante o processo de travagem, a máquina elétrica passa a funcionar como gerador carregando as baterias.

Arquitetura Paralela

Ao contrário do que acontece na Arquitetura Série, e tal como acontece nos veículos convencionais, nos veículos com arquitetura paralela (Figura 2.4) o motor de combustão pode fornecer a sua potência mecânica diretamente às rodas motrizes. Paralelamente à potência fornecida pelo motor de combustão, existe também aquela fornecida pelo motor elétrico. Cada motor encontra-se ligado ao veio de transmissão por intermédio de uma embraiagem, o que permite que a potência necessária para movimentar o veículo, possa provir de um ou outro motor de forma independente, ou dos dois em paralelo.

Figura 2.4 – Esquema da Arquitetura Paralela.

Comparativamente à Arquitetura Série, a Arquitetura Paralela apenas necessita de dois dispositivos para propulsão (motor de combustão e motor elétrico), sendo que ambos podem ser de potência inferior [3-7].

Depósito de Combustível Motor de Combustão Baterias Conversor de Potência Motor Elétrico M E N G R E N A G E N S Transmissão Ligação Hidraúlica Ligação Mecânica Ligação Elétrica

Com esta configuração é possível distinguir seis modos de operação distintos: 1. Modo Puramente Elétrico – O motor de combustão encontra-se desligado, pelo

que apenas o motor elétrico propulsiona o veículo. A energia utilizada provém do sistema de baterias.

2. Modo Motor de Combustão – O veículo é propulsionado unicamente pelo motor de combustão.

3. Modo Combinado – A potência para movimentar o veículo provém de ambos os motores;

4. Modo Divisão de Potência – A potência gerada pelo motor de combustão é utilizada para propulsionar o veículo e carregar as baterias. Nesta situação o motor elétrico opera como gerador.

5. Modo Carregamento de Baterias – A potência mecânica gerada pelo motor de combustão é utilizada unicamente para acionar a máquina elétrica, que está, nesta situação, a funcionar como gerador, carregando assim as baterias. Neste modo não é fornecida qualquer potência às rodas motrizes.

6. Modo Travagem Regenerativa – De forma a aproveitar a energia cinética durante o processo de travagem, o motor elétrico passa a funcionar como gerador carregando as baterias.

Arquitetura Série-Paralela

Tal como a sua designação indica, este tipo de arquitetura resulta da combinação das arquiteturas Série e Paralela. Relativamente aos veículos híbridos do tipo série, este tipo de veículo dispõe de mais uma ligação mecânica entre o motor de combustão e as rodas motrizes, enquanto que relativamente aos veículos híbridos do tipo paralelo, este tipo de veículo dispõe de mais uma máquina elétrica (gerador) (Figura 2.5).

Figura 2.5 – Esquema da Arquitetura Serie-Paralela.

Depósito de Combustível Motor de Combustão Baterias Conversor de Potência Motor Elétrico M E N G R E N A G E N S Transmissão Gerador Elétrico Conversor de Potência Ligação Hidraúlica Ligação Mecânica Ligação Elétrica

O produto final é um sistema que reúne o melhor das duas topologias anteriores, sendo no entanto significativamente mais complexo e caro, facto que não impede alguns fabricantes de apostarem neste tipo de veículo, como é o caso da Toyota e o seu

best-seller híbrido, o Toyota Prius (Figura 2.8). Arquitetura Complexa

Ainda que contenha semelhanças com a arquitetura Série-Paralela, esta arquitetura é, como o nome indica, mais complexa. A principal diferença reside no facto de que o gerador elétrico presente na arquitetura Série-Paralela pode agora ser utilizado como motor (Figura 2.6). Esta situação permite novos modos de operação, tais como o veículo ser propulsionado de forma simultânea por 3 motores diferentes (motor de combustão e dois motores elétricos) [4].

Figura 2.6 – Esquema da Arquitetura Complexa.