3. PARÂMETROS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO DE UM
3.4 BATERIA E DISPOSITIVO DE CARREGAMENTO
Segundo Tom Denton (2018), as baterias ainda são o principal fator relacionado à autonomia dos veículos elétricos, uma vez que todos os dispositivos em um veículo puramente elétrico (Pure-EV) necessitam, de alguma forma energia elétrica, tanto iluminação como climatização e sistemas de frenagem. As indústrias deste segmento vêm desenvolvendo novas tecnologias, buscando maximizar a autonomia e a vida útil das baterias. A vida útil de uma bateria é considerada o período de tempo em que a mesma leva para perder 20% da capacidade de armazenagem de energia.
Atualmente uma das tecnologias de bateria mais avançada para veículos elétricos é a de Lítio Ferro Fosfato (LiFePO4); a mesma apresenta uma série de vantagens quando comparadas com as outras tecnologias usuais de baterias, como longa vida útil e boa densidade de carga em
W/kg (SERÔDIO, 2018). Estas vantagens são resultados de uma estrutura química mais estável, as baterias de LiFePO4 possuem um perfil praticamente incombustível, sanando o principal problema das baterias de Lítio com outros materiais catódicos, as quais, em alguns casos, podem entrar em combustão a partir de um impacto ou manuseio incorreto. As baterias de LiFePO4 possuem uma tensão nominal de 3,2V/célula, um pouco abaixo das unidades produzidas com óxido de cobalto, óxido de níquel e óxido de manganês, cuja tensão nominal é 3,7 V (S.T.A. SISTEMAS E TECNOLOGIA APLICADA, 2019).
Para este projeto de trator agrícola será colocado como base uma autonomia de 3 horas, sendo assim dimensiona-se o banco de baterias de Lítio Ferro Fosfato (LiFePO4).
O modelo de bateria de Lítio Ferro Fosfato empregado para o dimensionamento deste estudo é da fabricante BYD, do tipo modular, com potência de 2,56 kW.
No Quadro 5 encontram-se algumas especificações da bateria LiFePO4 da BYD.
Quadro 5 - Especificações das baterias
Parâmetros da Bateria
Marca / Modelo BYD/ B-Box Compacta 2.5
Tipo LiFePO4
Tensão Nominal 51,2 Vcc Tensão Operacional 43,2 - 56,4 Vcc Potência Máxima de Saída 2,56 kW Capacidade de carga 2,56 kWh
Peso 38 kg
Grau de proteção IP20
Fonte: Adaptado de BYD Brasil (2019)
Observa-se no Quadro 5 que as baterias possuem proteção IP 20, de tal forma necessitando de proteção adicional para não sofrerem danos durante o uso do veículo. Para o dimensionamento deste caso, considerar-se-á o uso do trator a um valor constante de 50% da potência nominal, devido ao fato de que em aplicações práticas o torque requerido tende a sofrer constantes alterações, segundo Serrano (2007) o torque na barra de tração varia de acordo com a tarefa realizada pelo trator, bem como também pelos implementos utilizados na execução da tarefa.
Pode-se obter a seguinte equação de consumo de energia considerando-se o uso constante do motor elétrico na metade da potência nominal com relação ao rendimento do
mesmo para esta faixa de trabalho. O motor WEG de 25 HP aplicado a este trabalho apresenta um rendimento percentual de 91% à 50% da potência nominal (WEG, 2016).
𝑃 𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (50%) =
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 0,5
𝜂 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
(3)
Onde:
P in (50%) – Potência requerida pelo motor com faixa de trabalho à 50 % da potência nominal (kW)
Pout motor – Potência no eixo do motor (kW) η motor – Rendimento do motor
Por meio da Equação 3 obtém-se:
𝑃 𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (50%) =
𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ∗ 0,5
𝜂 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟
𝑃 𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (50%) =
746 ∗ 25
0,91
𝑃 𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 (50%) = 10.247,25 𝑊
De tal forma obtém-se um consumo do motor em 50% da potência nominal, sendo este cerca de 10,25 kW; ainda deve ser acrescido junto a este valor o consumo nos componentes elétricos e acessórios do trator, bem como no inversor de frequência responsável pelo controle de tração no motor.
O inversor de tração WEG CVW 500 utiliza um nível de tensão de 100 a 430 V em corrente contínua, de tal modo que o banco de baterias pode ser bem flexível em relação ao nível de tensão. Já o motor possui uma tensão de operação nominal de 220/380 V em corrente alternada. Uma vez que a tensão máxima de saída do inversor WEG CVW 500 é igual ao valor da tensão contínua dividida pela raiz quadrática de 2 (WEG S.A., 2019). Abaixo a equação da tensão eficaz de saída de um inversor por fase (FILHO, 2017).
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
𝑉𝑖𝑛
Onde:
Vout inversor – Tensão de saída do inversor (Vca)
Vin – Valor de tensão contínua na entrada do inversor (Vcc) Através da Equação 4 obtém-se:
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
𝑉𝑖𝑛
√2
220 =
𝑉𝑖𝑛
√2
𝑉𝑖𝑛 = 311,12 𝑉
Conclui-se que o valor de tensão de entrada não pode ser inferior a 311,12 V e para isto é necessário conectar o inversor a um banco de baterias ligado a um elevador de tensão, o qual também deve manter o nível de tensão de modo equilibrado. Segundo a WEG (WEG S.A., 2019) o valor nominal mais adequado de tensão das baterias é 350 V. Aplicando o valor de 350 V na Equação 4 obtém-se:
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =
𝑉𝑖𝑛
√2
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟 =350
√2
𝑉𝑖𝑛 = 247,49 𝑉
Resulta-se em um nível de tensão máximo de 247,49 V por fase na saída do inversor, a corrente nominal de saída do inversor é de 275 A, por meio da equação da potência para circuitos trifásicos descrita a seguir encontra-se a potência nominal de operação do inversor em condições normais de operação com o uso de um motor de indução trifásico 220/380 V (FILHO, 2017).
Onde:
P – Potência do inversor (W) In – Corrente Nominal de saída (A) V- Tensão aplicada ao motor por fase (V)
Levando em consideração a equação 5 obtém-se:
𝑃 = 𝐼𝑛 ∗ 𝑉 ∗ 3
𝑃 = 275 ∗ 247,49 ∗ 3
𝑃 = 204,179 𝑘𝑊
Observa-se que o inversor pode chegar a uma potência nominal de até 204,179 kW em sua saída, segundo a fabricante, o inversor atuando na potência nominal apresenta perdas por potência dissipada de cerca de 1750 W e as demais perdas no inversor podem ser desconsideradas. A partir disso obtém-se uma potência de entrada de cerca de 204,179 kW. O fabricante não disponibiliza no manual do inversor o rendimento do mesmo, então considerar- se-á que estas sejam lineares para a faixa de potência mínima até a nominal. A equação descrita a seguir demonstra o rendimento percentual (ALVES, 2008).
𝜂 =
𝑃 𝑢
𝑃 𝑎∗ 100 %
(6)
Onde:
η – Rendimento percentual (%); P u – Potência útil na saída (W);
P a – Potência absorvida na entrada (W); Aplicando a Equação 6 encontra-se:
𝜂 =𝑃 𝑢
𝑃 𝑎
∗ 100 %
𝜂 =204,179 𝑘𝑊
𝜂 = 99,150 %
Observa-se que o rendimento percentual encontrado para o inversor é cerca de 99,15%, para este rendimento pode-se encontrar a potência demandada pelo inversor ao alimentar o motor de 25 CV com 50% da potência nominal. Reorganizando a equação 6 obtém-se a potência absorvida pelo inversor (ALVES, 2008).
𝑃 𝑎 =𝑃 𝑢
𝜂
(7)
Onde:
P a – Potência absorvida na entrada (W); η – Rendimento percentual (%);
P u – Potência útil na saída (W);
Aplicando 50% da potência nominal absorvida pelo motor por meio da Equação 7 encontra-se:
𝑃 𝑎 =
𝑃 𝑢
𝜂
𝑃 𝑎 =
10.247,25
0,9915
𝑃 𝑎 = 10.335,09 𝑊
Portanto a potência absorvida pelo conjunto motor e inversor de tração é de 10335,09 W, sendo esta a responsável pela maior parte do consumo energético do veículo em movimento. Para os demais componentes elétricos do trator serão estimados um consumo de 500 W, sendo estes para iluminação, itens de sinalização e acessórios. A Equação 8 irá descrever a potência do trator, caracteriza-se pelo somatório da potência absorvida pelo inversor mais o consumo adicional estimado.
Onde:
P trator – Potência total demandada pelo trator com 50 % de uso da potência do motor (W);
P a – Potência absorvida na entrada (W);
P com. – Potencia elétrica demandada pelos demais componentes do trator (W); Aplicando a Equação 8 obtém-se:
𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑃 𝑎 + 𝑃 𝑐𝑜𝑚.
𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 10.335,09 + 500
𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 = 10.835,09 𝑊
Pode-se observar que a potência média consumida pelo trator quando o mesmo está em operação é de 10.835,09 W, em uma aplicação real esta potência irá sofrer constantes variações, mas para fins didáticos considerou-se que o mesmo opera de maneira constante utilizando 50% da potência nominal do motor. A próxima equação descreve a energia consumida durante uma operação de 2 horas contínuas como trator, segundo Chapman (2013) a energia é o resultado da multiplicação da potência em relação a um período de tempo.
𝛥𝐸 = 𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝛥𝑡
(9)
Onde:
ΔE – Energia consumida em Joules (J);
P Trator - Potência total demandada pelo trator com 50 % de uso da potência do motor (w);
Δt – Período de tempo (s);
Aplicando-se a Equação 9 encontra-se:
𝛥𝐸 = 𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝛥𝑡
𝛥𝐸 = 10.835,09 ∗ 7200
𝛥𝐸 = 78,01 ∗ 10
6𝐽
Para a operação do trator nas condições anteriormente elencadas é necessária uma bateria com capacidade igual ou superior a 78,01*106 Joules, o que equivale a 21,67 kWh de energia.
As baterias BYD/ B-Box Compacta 2.5 possuem 2,56 kWh de capacidade nominal de carga, e um nível de tensão nominal de 51,2 V (BYD DO BRASIL, 2018). Sendo assim é necessário utilizar um mínimo de 9 baterias em paralelo, obtendo-se uma capacidade total de 23,04 kWh, equivalente a 82,94 *106 Joules, suprindo as 2 horas de autonomia elencadas no trabalho. Aplicando-se a equação 9 obtém-se a autonomia por meio do cálculo da energia (CHAPMAN, 2013).
𝛥𝐸 = 𝑃 𝑇𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ∗ 𝛥𝑡
82,94 ∗ 10
6= 10.835,09 ∗ 𝛥𝑡
𝛥𝑡 = 7654,76 𝑠
Com as 9 baterias BYD/ B-Box Compacta 2.5 em paralelo e considerando os dados de consumo acima elencados obtém-se uma autonomia de cerca de 7654,76 segundos, o que equivale a 2 horas e 7 min de autonomia. A massa das 9 baterias juntas é de 342 kg, um valor um pouco elevado considerando-se o tamanho do trator, mas com a retirada do motor a diesel, bem como do tanque de combustível, a adição das baterias não afetará de maneira muito significativa a massa total do trator.
O Quadro 6 mostra um comparativo entre a massa original do trator e a estimativa adimensional da massa trator após as alterações propostas com a adição do banco de baterias. Como pode-se analisar no Quadro 6, tem-se aumento de 94,85 kg na massa do trator para realizar-se a eletrificação, a qual representa uma variação de 5,7 % na massa total do trator, conforme dimensionamento realizado anteriormente. Dentro desta variação o componente que mais influencia é a adição do banco de baterias, totalizando um acréscimo de 342 kg a massa total do trator elétrico em questão.
Quadro 6 - Massa do trator
Trator AGRALE 4230 com Motor M790
Massa do trator (Com o motor) 1500 kg Massa do motor M790 (Standard) 218 kg Massa dos contrapesos opcionais 130 kg Massa do combustível (Tanque cheio) 33,15 kg Massa total do Trator com contrapesos e combustível 1663,15 kg
Trator AGRALE 4230 Após Alterações Propostas
Massa do Trator (Sem Motor) 1282 kg Massa do Motor WEG WEG W22 IR3 25 CV 119 kg Massa do Banco de Bateria 342 kg Massa do Inversor CVW 500 15 kg Massa Total do trator com as alterações previstas para
eletrificação 1758 kg
Fonte: O autor (2019)
Deve-se levar em consideração a distribuição da massa das baterias e concentrar o peso na parte dianteira do trator, podendo ser usado, na forma de estratégia de remoção dos pesos ali colocados, a finalidade de obter equilíbrio operacional ao utilizar implementos no levante hidráulico do trator. São comumente utilizados lastros metálicos na dianteira e nas rodas do trator, uma vez que a tração exercida pelo trator é diretamente relacionada ao peso efetivo nas rodas (FURLANI, 2014).
Para esta proposta de trator elétrico também se necessita da utilização de um conversor CC/CC Buck a fim de alimentar uma bateria de 12 V, tal tipo de conversor também denomina- se regulador Chooper (ALVES, 2008). A rede alimenta circuitos de iluminação e controle no trator elétrico, como é o caso do inversor CVW 500, que possui a alimentação de controle em 12/24 V.