Configurações de Sistemas Híbridos

Existem essencialmente três tipos de configurações de veículos híbridos, variando unicamente na forma como a força motriz é fornecida às rodas. O sistema híbrido pode ser em série, em paralelo ou pode ser um sistema misto, sendo este último a combinação dos dois primeiros.

2.2.1 Sistema híbrido em série

Este sistema híbrido é muito mais parecido em termos de design com um veículo puramente eléctrico do que com um veículo com motor de combustão interna. Neste tipo de sistema, o motor de combustão faz girar um gerador eléctrico em vez de estar ligado directamente às rodas. Este gerador tem a dupla função de carregar a bateria e fornecer energia ao motor eléctrico que faz o veículo deslocar-se. Quando é necessária uma grande quantidade de potência, o motor eléctrico extrai electricidade tanto das baterias como do gerador eléctrico. Para armazenar a energia, o veículo utiliza um conjunto de baterias com uma voltagem superior à da voltagem normal de um automóvel de 12 volts. Normalmente não se utiliza uma transmissão neste sistema, mas se for usada tem um design muito simples, uma vez que os motores eléctricos são eficientes numa grande gama de rotações. Alguns destes veículos podem ter motores eléctricos separados para cada roda e incluem, também, o sistema de regeneração de energia durante a travagem, aumentando, deste modo, a eficiência. De um modo geral, o veículo é muito semelhante às locomotivas diesel-eléctricas com o acrescento de uma bateria.

Página | 19 Como o sistema híbrido em série não tem qualquer ligação entre o motor de combustão interna e as rodas, o motor pode trabalhar a uma rotação constante e eficiente mesmo quando o veículo varia de velocidade. O motor pode, então, chegar à eficiência máxima de 37% (teoricamente, este é o limite máximo de eficiência para os motores de combustão interna), em vez da média de 20%, caso este tivesse ligação directa às rodas. A velocidades baixas ou médias, isto pode resultar num aumento de 50% da eficiência geral (19% vs 29%) [13].

A potência do motor de combustão deve passar pelo gerador e pelo motor eléctrico e, dependendo do design, pode também passar pelo carregador e pelas baterias reduzindo a eficiência (como se demonstra na figura seguinte), uma vez que cada transformação resulta numa perda de energia. Num percurso longo em auto-estrada, o motor de combustão é quem fornece a maior parte da energia, sendo que, nestes casos, o sistema híbrido em série é cerca de 20%-30% menos eficiente do que um sistema híbrido paralelo.

O uso de um motor por roda elimina os componentes convencionais de uma transmissão mecânica (caixa de velocidades, veios de transmissão, diferencial) e pode, por vezes, eliminar os acoplamentos flexíveis. Se os motores estiverem integrados nas rodas, a massa não suspensa aumenta e a resposta da suspensão é reduzida, o que prejudica o desempenho, o conforto e a segurança. As vantagens de motores individuais por roda incluem sistemas de controlo de tracção mais simplificados, tracção a todas as rodas e permitem um piso mais baixo do veículo, o que se torna útil nos autocarros. As locomotivas diesel-eléctricas utilizam este conceito há cerca de 60 anos [13-15].

A figura seguinte representa simplificadamente este tipo de configuração.

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2.2.2 Sistema híbrido em paralelo

Os sistemas híbridos em paralelo possuem tanto um motor de combustão interna como um motor eléctrico ligados à transmissão mecânica. A grande maioria dos designs combina um grande gerador eléctrico com o motor numa só unidade, normalmente situados entre o motor de combustão e a transmissão, substituindo, assim, o convencional motor de arranque e o alternador. A propulsão do veículo é feita pelo motor de combustão que por sua vez é assistido por um motor eléctrico. Para armazenar a energia, o veículo utiliza um conjunto de baterias semelhantes ao do sistema híbrido em série, ou seja, com uma voltagem superior à da voltagem normal de um automóvel de 12 volts. Os acessórios como a direcção assistida e o ar condicionado são alimentados por motores eléctricos em vez de estarem acoplados directamente ao motor de combustão. Isto permite ganhos em termos de eficiência uma vez que os acessórios podem funcionar a velocidades constantes, independentemente das rotações a que o motor de combustão esteja a funcionar. Na Figura 12 encontra-se representado este tipo de sistema.

Este tipo de sistema híbrido pode existir em diferentes configurações, consoante a maneira como as duas fontes de potências estejam mecanicamente ligadas. Nos automóveis é mais usual o motor de combustão e o motor eléctrico estarem ligados através de uma engrenagem diferencial.

Ao contrário do sistema híbrido em série, este sistema permite que tanto o motor de combustão como o motor eléctrico forneçam a sua energia, simultaneamente, para fazer mover o veículo, criando assim as vantagens deste sistema:

O motor eléctrico de tracção é mais pequeno;

As várias conversões da potência do motor para as rodas deixam de ser necessárias, aumentando, assim, o rendimento global. [13-15]

Página | 21 2.2.3 Sistema híbrido misto

O sistema híbrido misto ou sistema híbrido série-paralelo, combina, tal como o nome indica, características tanto do sistema híbrido série e paralelo. Este sistema, representado na Figura 13, incorpora um dispositivo de separação de potência que permite que a potência que chegue às rodas seja de origem mecânica ou eléctrica, ou de ambas.

O binário de um motor de combustão é baixo a rotações mais baixas. Num veículo convencional, isto implica que se utilize um motor de maiores dimensões para acelerar o veículo quando este está parado. Este motor, no entanto, tem mais potência do que aquela necessária para uma velocidade de cruzeiro, isto é, está sobredimensionado para este tipo de condução. Um motor eléctrico, por outro lado, dispõe do binário máximo logo desde o arranque e é ideal para completar a falta de potência a baixas rotações do motor de combustão. Sendo assim, num sistema híbrido misto, um motor mais pequeno, menos flexível e mais eficiente pode ser utilizado. O ciclo Otto convencional (maior potência específica, maior binário a rotações baixas, menor eficiência em termos de consumo) pode ser modificado para um ciclo Miller ou um ciclo Atkinson (menor potência específica, menor binário a rotações baixas, maior eficiência no que toca aos consumos). Um motor pequeno utilizando um ciclo mais eficiente contribui significativamente para um maior rendimento global do veículo.

No sistema híbrido da Toyota (Toyota Hybrid System THS/Hybrid Synergy Drive), o dispositivo de divisão de potência é composto por um trem planetário de 3 eixos e encontra-se situado antes da transmissão. Isto torna o sistema muito simples em termos mecânicos, mas tem algumas desvantagens. Por exemplo, a velocidade máxima é limitada pela velocidade do motor eléctrico mais pequeno (funcionando normalmente como gerador). Também a eficiência da transmissão é fortemente dependente da quantidade de energia transmitida pelo motor eléctrico, pois devido à combinação das múltiplas conversões, o rendimento global ronda os 70%, abaixo dos 98% de uma transmissão mecânica normal. Existem, também, algumas variações ao tipo de sistema referido anteriormente, nomeadamente no Lexus RX 400h. Neste veículo, além do trem planetário que efectua a divisão de potência, existe um trem planetário adicional de redução da velocidade do motor eléctrico de maneira aumentar o seu binário, possuindo assim, uma maior elasticidade. Na secção seguinte será explicado, com maior detalhe, todos os componentes e todas as características deste tipo de sistema híbrido. [13-15,17]

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