Um VE, por definição, utiliza eletricidade como fonte de energia e um motor elétrico para se mover em vez de combustíveis fósseis e motores de combustão interna.
Existem diferentes tipos de VEs, os puramente elétricos que utilizam a energia elétrica nas baterias como fonte de alimentação, os híbridos que combinam um motor elétrico com um motor de combustão interna, os híbridos plug-in que têm uma arquitetura semelhante à dos híbridos com a particularidade de as baterias poderem ser carregadas através de uma fonte externa. Por fim, existem os veículos alimentados a células de
combustível, que combinam a transformação de hidrogénio em energia elétrica que por sua vez carregam as baterias alojadas no veículo [15], [20].
Seguidamente são apresentados de forma resumida os diferentes tipos de VEs mencionados anteriormente.
Veículos Puramente Elétricos
Um VE típico contém um pack de baterias conectado a um motor elétrico e fornece energia de tração através da utilização de um sistema de transmissão. As baterias são primeiramente carregadas através de um carregador de baterias, que pode ser on-board ou off-board, que recebe a energia através de uma fonte externa, como por exemplo a rede elétrica. Também durante a travagem regenerativa [21], o motor funciona como um gerador e devolve energia às baterias enquanto desacelera o veículo.
Uma das principais vantagens dos VEs é o seu desenho simples e operação com um baixo número de componentes. A principal desvantagem deste tipo de veículos é a limitação imposta pelas baterias, isto é, dependendo do tipo das mesmas, os tempos de carregamento podem durar entre quinze minutos a oito horas e a autonomia que proporcionam não é a desejada [20].
Na Figura 2.1 é possível ver a configuração típica de um VE.
Figura 2.1 – Configuração típica de um VE.
Esta configuração consiste num pack de baterias e num controlador de motor que fornecem a energia necessária para o motor elétrico, que por sua vez fornece a tração necessária para as rodas do VE.
Muitos dos VEs atuais utilizam um motor síncrono de ímanes permanentes que pode também ser utilizado como gerador para recarregar as baterias quando o veículo se encontra em processo de desaceleração, isto é, a travagem é feita com o motor. Tal como referido anteriormente, durante a travagem regenerativa o motor irá atuar como gerador e recarregar as baterias ao mesmo tempo que desacelera o veículo. No entanto, o veículo também possui travões mecânicos para que seja possível imobilizar o veículo numa situação em que seja necessário [20].
Rede Elétrica Carregador de
Baterias Pack de Baterias Controlador do Motor Roda Roda M/G
Veículos Híbridos Elétricos
Os componentes que constituem um típico HEV são um pack de baterias, um controlador de motor, um motor/gerador, um motor de combustão interna, uma transmissão e a cadeia cinemática1. As baterias são carregadas através do motor de combustão interna e gerador, não existindo carregamento por via externa. O componente principal de eletrónica de potência utilizado é o conversor CC-CA que fornece alimentação trifásica a um motor síncrono de ímanes permanentes [20].
Na Figura 2.2, está representado a configuração de um Toyota Prius híbrido- elétrico.
Figura 2.2 – Configuração Toyota Prius HEV.
O Toyota Prius híbrido-elétrico utiliza dois motores/geradores síncronos de ímanes permanentes, um de 10 kW e um outro de 50 kW. As baterias estão conectadas a um conversor CA-CC, que está ligado aos motores/geradores. O conversor utilizado é bidirecional o que permite que as baterias sejam recarregadas e que os motores sejam alimentados quando assim o é necessário [20].
Os motores/geradores elétricos e o motor de combustão interna alimentam um planetário redutor2. O sistema opera num modo de transmissão continuamente variável (Continuously Variable Transmission - CVT) em que a relação de transmissão da caixa de velocidades é determinada pela energia transferida pelas baterias, pelo motor/gerador
1A cadeia cinemática de um veículo, normalmente um automóvel, é o conjunto de elementos envolvidos
na tração do mesmo.
2 O redutor planetário é constituído por uma engrenagem central (ou sol), dois ou mais carretos satélites
(ou planetários) ligados entre si por um suporte dos carretos dos satélites, e uma coroa circular (ou anel). 50 kW Conversor CC-CC Roda Roda Pack de Baterias Controlador do Motor 10 kW Planetário Redutor Caixa Redutora Motor de Combustão Interna Tanque de Combustível M/G M/G
e pelo motor de combustão interna [22]. Tal como nos VEs, as baterias podem ser recarregadas regenerativamente através do motor elétrico de 10 kW quando este se encontra a funcionar como gerador.
Veículos Híbridos Elétricos Plug-in
Os veículos híbridos elétricos plug-in (Plug-in Hibrid Electric Vehicle - PHEV) são constituídos pelos mesmos componentes base dos veículos híbridos-elétricos, no entanto, ao contrário deles, estes têm a capacidade de serem carregados por uma fonte externa. Desta forma, os PHEVs normalmente têm incorporado um conversor CA-CC para fazer a transformação da energia fornecia pela rede elétrica para que se possam carregar as baterias. As baterias podem também ser diretamente carregadas através de uma fonte de energia solar, sendo necessário um conversor CC-CC, ou através de uma fonte de energia eólica utilizando assim um conversor CA-CC [20].
Na Figura 2.3 está representada a configuração de um Toyota Prius PHEV.
Figura 2.3 – Configuração do Toyota Prius PHEV.
Normalmente os PHEV têm baterias com uma capacidade superior ao HEV, no entanto, a grande vantagem do PHEV em relação ao HEV é que podem operar unicamente a partir do motor elétrico garantindo assim uma redução no consumo de combustíveis fósseis. O carregamento é feito de forma unidirecional, isto é, apenas há transmissão da rede elétrica para o pack de baterias [20].
Veículos a Células de Combustível
Os veículos a células de combustível (Fuel Cell Vehicles – FCV) utilizam o hidrogénio como combustível para produzir eletricidade. Como utilizam uma reação
50 kW Roda Roda 10 kW Planetário Redutor Caixa Redutora Motor de Combustão Interna Tanque de Combustível Rede Elétrica Carregador de Baterias Pack de Baterias Controlador do Motor M/G M/G
química (isotérmica) para produzir a eletricidade através do hidrogénio não fazem a combustão do combustível sendo assim livres de emissões poluentes [15]. Estes possuem uma configuração bastante parecida com os veículos puramente elétricos (Figura 2.4), no entanto, como são movidos através de células de combustível necessitam de um tanque de hidrogénio pressurizado que alimenta as células, que através de um conversor CC-CC carregam as baterias [20].
Figura 2.4 – Configuração típica de um FCV.
Tal como é possível observar na figura anterior, também é possível o carregamento das baterias pela rede elétrica através do carregador que se encontra on-board. À semelhança dos VE puramente elétricos, também é possível recuperar energia para as baterias através da travagem regenerativa [20].
Rede Elétrica Carregador de Baterias Controlador do Motor Roda Roda Tanque de Hidrogénio Pressurizado Conversor CC-CC Pack de Baterias M/G
Por fim na Tabela 2.1 estão descritas as principais caraterísticas de cada uma das topologias anteriormente apresentadas.
Tabela 2.1 – Principais caraterísticas das topologias de VEs [15].
Tipo de VE Puramente Elétrico HEV/PHEV FCV
Propulsão Motor Elétrico
Motor Elétrico Motor Elétrico Motor de Combustão Interna Sistema de Armazenamento de Energia
Baterias Baterias Células de Combustível Ultracondensadores
Ultracondensadores Necessita de baterias /ultracondensadores para
o arranque do veículo A partir do Motor de
Combustão Interna Fonte de energia e
infraestrutura Rede elétrica
Postos de combustível Hidrogénio Rede elétrica (no caso
dos PHEV)
Infraestruturas de produção e distribuição
de hidrogénio
Caraterísticas
Sem emissões Baixas emissões Sem emissões Alta eficiência
energética
Grande poupança de combustível em ralação
aos veículos com MCI
Alta eficiência energética Pouca autonomia Boa autonomia Boa autonomia
Custo inicial elevado
Necessitam de combustíveis fósseis
Custo inicial elevado Mais caros em relação
aos veículos de motor de combustão interna Disponíveis comercialmente Disponíveis comercialmente Ainda em desenvolvimento Desvantagens
Baterias e a sua gestão Controlo, gestão e otimização das diferentes fontes de
energia
Custo das células de combustível, ciclos de vida e fiabilidade Locais de carregamento Custo Gestão e dimensionamento das baterias Infraestruturas de hidrogénio
Baterias
A importância das baterias para os VEs já foi verificada ao longo da história. O primeiro VE foi produzido pouco depois da invenção das baterias de chumbo-ácido e do motor elétrico nos finais do século XIX [23].
O início do século XX foi uma era de ouro no que diz respeito aos VEs, devido à existência de quase o dobro em relação aos veículos movidos a gasolina. No entanto, os VEs quase que desapareceram com a introdução do motor de combustão interna na segunda década do século XX, devido às limitações de peso, curtas distâncias de viagem, elevado tempo para carregamento e a fraca duração de vida das baterias na altura. Contudo, com os avanços feitos nas últimas décadas nos VEs, o interesse nas baterias
voltou a aumentar com o intuito de as tornar tecnologicamente avançadas para responder eficazmente às necessidades dos VEs [24].
As baterias utilizadas nos VEs são bastante diferentes das que são utilizadas nos dispositivos eletrónicos da vida quotidiana, pois são desenhadas para aguentar grandes quantidades de potência (até dezenas de kW) e de energia (até dezenas de kWh) dentro de um tamanho e peso limite, por um preço relativamente acessível [24].
Nos VEs puramente elétricos as baterias são a sua única fonte de energia, e por sua vez, o componente com o maior custo, peso e volume. Nos veículos híbridos-elétricos e híbridos-elétricos plug-in, as baterias devem receber ou fornecer energia de forma contínua, o que as torna também num componente chave nos mesmos.
As baterias utilizadas em aplicações para VEs devem incluir [25] :
Uma capacidade suficientemente grande para garantir uma distância de viagem considerável. A título de exemplo, 25 km em modo elétrico no híbrido Toyota Prius[26], ou no caso de um veículo puramente elétrico como é o caso do Nissan Leaf que tem uma autonomia para cerca de 200 km[27];
Uma capacidade de potência de entrada elevada o suficiente para garantir uma boa aceleração, boa travagem regenerativa, que por sua vez providencia alta eficiência energética, e que aceite carregamento rápido por uma questão de conveniência;
Um ciclo de vida longo o suficiente para que corresponda ao tempo de vida dos componentes padrão de um automóvel;
Durabilidade contra condições adversas (como por exemplo, stress mecânico, stress climático, entre outros), para que o VE possa trabalhar em ambientes hostis onde os veículos convencionais normalmente funcionam;
Ter uma tolerância de abuso excessivo para manter a bateria resguardada mesmo sob condições extremas (como por exemplo sobretensões, curto-circuitos internos e altas temperaturas).
Para que se possa trabalhar diretamente com VEs, é vital ter um bom conhecimento das tecnologias de baterias existentes. No entanto, antes disso é necessário saber o que é a própria bateria em si.
Uma bateria consiste em duas ou mais células eletroquímicas juntas, que convertem energia química para energia elétrica. As células consistem em dois elétrodos, um positivo e um negativo, juntos por um componente eletrolítico, tal como se pode observar na Figura 2.5. A reação química entre os elétrodos e o eletrolítico geram corrente
contínua. No caso de baterias secundárias ou recarregáveis, a reação química pode ser revertida, através da alteração do sentido da corrente e da bateria para um estado de carga [28].
Figura 2.5 – Célula eletroquímica.
Apesar de todo o desenvolvimento efetuado nas baterias ao longo das últimas décadas, termos como o preço, o tamanho, a densidade energética e a densidade de potência representam um entrave na expansão dos VEs. Desta forma, seguidamente são apresentados e de forma resumida alguns dos parâmetros das baterias [24], [29]:
Tensão das células: A tensão da célula é a diferença entre o potencial que é gerado entre as placas positivas e negativas dos elétrodos. O potencial gerado vai depender do material das placas, dos eletrólitos e da sua concentração. A tensão das células não é um valor constante, pois depende do estado de carga e da temperatura dos eletrólitos;
Tensão nominal: No caso de se tratar de uma bateria de chumbo-ácido, a tensão nominal de uma única célula é aproximadamente de 2 V. A tensão nominal da bateria resulta da multiplicação da tensão nominal de uma célula individual pelo número de células que se encontram conectadas em série na mesma. Normalmente a tensão nominal da bateria fixa-se nos 12 V, no entanto quando falamos de veículos em que os sistemas elétricos necessitam de mais energia, como é o caso dos camiões que precisam de 24 V, utilizam-se duas baterias de 12 V conectadas em série;
Tensão em circuito aberto: A tensão em circuito aberto corresponde à tensão da bateria sem carga. Após um processo de carga ou descarga o valor da tensão em circuito aberto muda, isto deve-se à polarização e efeitos de difusão. Depois de um determinado tempo, e após a estabilização da tensão em circuito aberto, é
Eletrólito Á nod o C át odo + - Fluxo de Eletrões
possível medir aquilo que se chama de tensão em circuito aberto em estado estável. No entanto, caso esse valor seja medido precocemente depois de um processo de carga ou descarga, não é possível obter o valor real do estado de carga. Para isso, é por vezes necessário deixar a bateria repousar quase 24 h de forma a atingir um estado estável;
Capacidade: A capacidade elétrica que uma bateria pode fornecer é um dos parâmetros mais importantes da mesma. A unidade SI que representa esta medida é o Coulomb (C), e trata-se da quantidade de corrente que uma bateria consegue fornecer por um determinado período de tempo, neste caso sendo 1 C a carga correspondente a 1 A durante 1 s. No entanto por se tornar de uma unidade pequena utiliza-se a unidade ampere-hora (Ah) o que torna mais fácil a sua caraterização e utilização, isto é, uma bateria que tenha uma capacidade de 10 Ah, pode fornecer ou receber 1 A em 10 h, 2 A em 5 h ou em teoria 10 A em 1 h. Contudo, na prática, o funcionamento não é bem assim para a maior parte das baterias, enquanto uma bateria pode ser capaz de fornecer 1 A durante 10 h, caso esteja a fornecer 10 A, irá demorar certamente menos de 1 h [29];
Energia Armazenada: A energia armazenada numa bateria depende da sua tensão e da sua carga atual. O seu valor é obtido através da multiplicação da tensão pela capacidade da bateria. A unidade do SI utilizada é o Joule, no entanto por ser uma unidade de medida pequena utiliza-se o Watt-hora (Wh);
Energia específica: Energia específica, também conhecida por densidade de energia gravimétrica, é utilizada para definir a quantidade de energia que uma bateria pode armazenar por unidade de massa. É expressa através de Watt-hora por quilograma (Wh/kg);
Potência específica: Potência específica, também conhecida por densidade de potência gravimétrica de uma bateria, é o pico de potência da bateria por unidade de massa. É expressa em Watt por quilograma (W/kg);
Densidade de energia: Densidade de energia, também conhecida por densidade de energia volumétrica, é a energia nominal de uma bateria por unidade de volume. A sua unidade de medida é Wh/m3;
Densidade de potência: É o pico de potência de uma bateria por unidade de volume da mesma. É representada por W/m3;
Eficiência Energética: Trata-se de outro parâmetro importante nas baterias, e é definido através da relação entre a energia elétrica fornecida por uma bateria, com
a quantidade de energia elétrica necessária para se voltar ao estado antes da sua descarga;
Taxa de Auto Descarga: A maioria das baterias descarregam-se
automaticamente quando não são utilizadas durante algum tempo, sendo este processo conhecido como auto descarga, pelo que não se devem deixar durante muito tempo sem serem recarregadas.
Número de ciclos de vida: É o número de cargas e recargas que uma bateria pode efetuar até um determinado nível de descarga (normalmente 80 %) sem que certas caraterísticas da mesma sejam alteradas. Este número depende da tecnologia de bateria em utilização e também da forma como a bateria é utilizada. Torna-se um parâmetro de extrema importância a ter em atenção pois representa o tempo de vida de uma bateria, o que poderá ter consequências aquando a sua utilização em VEs, mais propriamente nos custos de manutenção/substituição das mesmas. Dentro das tecnologias de baterias existentes que mais se enquadram para a aplicação em VEs são [24], [25], [29]:
Chumbo-Ácido
As baterias de chumbo-ácido são um dos mais antigos e comuns sistemas de armazenamento de energia, pois são robustas e economicamente baratas (Figura 2.6). No entanto, devido a possuírem uma potência específica baixa não são uma opção para VEs de longa distância, além de que, o facto de terem um ciclo de vida pequeno levaria a que fosse necessário substituir o pack de baterias a cada dois ou três anos.
Figura 2.6 – Bateria de Chumbo-Ácido (INVT) [30].
O comportamento de carregamento deste tipo de baterias também desempenha um papel importante, isto porque normalmente o carregamento rápido das baterias é o desejado e a experiência com as mesmas ao efetuar o carregamento rápido mostrou que
existe um baixo potencial por parte destas para carregá-las com correntes elevadas, o que iria levar a um decréscimo nos seus ciclos de vida de forma dramática.
Apesar dos inconvenientes apresentados, a utilização de baterias de chumbo-ácido não é expectável que diminua num futuro próximo, pois são bastante mais baratas que os outros sistemas de armazenamento alternativos. Em termos gerais, as baterias de chumbo- ácido apresentam à volta de 800 números de ciclos, no que diz respeito ao seu ciclo de vida, uma energia específica de cerca de 35 Wh/kg e uma potência específica de aproximadamente 150 W/kg [25][29].
São utilizadas normalmente em cadeiras de rodas, carros de golfe, iluminação de emergência e UPS (Uninterruptible Power Supply).
Níquel-Cádmio (NiCd)
As baterias de níquel-cádmio (Figura 2.7) foram em tempos consideradas umas das principais concorrentes às baterias de chumbo-ácido na utilização em VEs, tendo quase o dobro da energia específica que as baterias de chumbo-ácido. Outras das vantagens em relação às baterias de chumbo-ácido incluem a alta potência específica, um número de ciclos de vida elevado, operação numa gama de temperaturas considerável, baixa taxa de descarga e são um bom sistema de armazenamento a longo prazo. Ainda dentro das vantagens, esta tecnologia de baterias também é robusta, tanto mecanicamente como eletricamente, e podem ser recarregadas até 60 % da sua capacidade em cerca de 20 minutos [29].
Figura 2.7 – Baterias de Ni-Cd (ALCAD) [31].
Ao contrário da tecnologia das baterias de chumbo-ácido que utilizam apenas 6 células em cada bateria para obter 12 V, a tensão nominal de cada célula das baterias de níquel-cádmio é de 1,2 V sendo necessário a utilização de 10 células para perfazer os 12 V, o que acaba por explicar o seu custo, uma vez que o cádmio é bastante mais caro que o chumbo. No entanto, devido ao seu elevado número de ciclos de vida, a questão do
preço acaba por ser colmatada. Outra desvantagem está no facto do cádmio ser altamente prejudicial, tanto para o ambiente como para a saúde.
Mais uma vez, e utilizando as baterias de chumbo-ácido como exemplo, as baterias de níquel-cádmio necessitam de ser carregadas propriamente. No entanto, como as células de níquel-cádmio são menos propensas a auto descargas, o problema aqui não é tão grave como nas de chumbo-ácido. Normalmente, o carregamento da bateria é feito através do método negative delta v (-Δv) que consiste em parar o carregamento da bateria assim que o declive da tensão em função do tempo passa a ser negativo [28], [29].
As suas principais aplicações são ferramentas elétricas, rádios bidirecionais, aeronaves e UPS.
Níquel-Hidreto-Metálico (NiMH)
São uma substituição prática para o níquel-cádmio e para a utilização em VEs, pois têm uma densidade de energia mais elevada, com um número de ciclos maior e sem metais tóxicos, os quais são recicláveis tornando-a ambientalmente amigável. Estas baterias (Figura 2.8), que são compostas por elétrodos positivos de hidróxido de níquel e elétrodos negativos feitos de ligas absorventes de hidrogénio, estão a ser utilizadas desde que em 1970 Philips conseguiu desenvolver propriedades absorventes do LaNi5.
Atualmente são utilizadas outras ligas absorventes de hidrogénio, tais como o alumínio, magnésio, cobalto, zircónio, entre outras, o que permite uma capacidade da bateria cada