VEÍCULO ELÉTRICO COM REDUZIDO CONSUMO DE ENERGIA

VEÍCULO ELÉTRICO COM REDUZIDO CONSUMO DE ENERGIA

1) Universidade Estadual Paulista – Unesp, Campus de Guaratinguetá, Departamento de Engenharia Elétrica, av. Ariberto Cunha, 333, Guaratinguetá, SP, 12516-410, Brasil

abud@feg.unesp.br lucena@feg.unesp.br

2) Universidade de Taubaté – UNITAU, Faculdade de Engenharia, Departamento de Engenharia Mecânica, r. Daniel Danelli, s/n, Taubaté, SP, 12020-040, Brasil

Sumário. Este trabalho propõe a utilização do controle de velocidade de um veículo automotivo com tração elétrica, através de

modulação por largura de pulso (PWM). A principal barreira encontrada no veículo elétrico é a autonomia das baterias, razão pela qual é discutida a necessidade de uma mudança conceitual para o veículo elétrico com relação àquele com motor a combustão. A modulação PWM é implementada por microcontrolador de baixo custo, com tabelas otimizadas, para valores discretos de velocidades, com transições sincronizadas entre tabelas e com reduzida geração de harmônicos. O controle de velocidade do motor elétrico é em malha aberta, como nos veículos a combustão, com a relação tensão/freqüência constante, para manter o torque constante. A técnica foi realizada em um veículo com capacidade para uma pessoa, do tipo Mini-Baja, e os ensaios mostraram que, além de permitir a eliminação de partes mecânicas, em função da utilização de motor de indução trifásico com

controle eletrônico e acelerações lentas, seu emprego resultou em reduzido consumo de corrente elétrica

.

Palavras-chave. Veículo elétrico, motor de indução, controle de velocidade, PWM, Mini-Baja.

1. Introdução

O principal motivo para a utilização de veículo elétrico (VE) continua sendo o que sempre foi: o carro à combustão interna, além de extremamente ruidoso, está tornando o ar das grandes metrópoles inadequado ao ser humano, ao mesmo tempo em que aumenta a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera que, segundo os cientistas, causa prejuízos em todo o planeta (Scaduto; Fenton, 1993).

Os fabricantes de veículos elétricos optaram, em princípio, em oferecer um VE o mais parecido possível com um modelo à combustão, chegando a autonomia de 240 km e velocidade máxima de 192 km/h. Embora não haja consenso entre os fabricantes de VEs com relação aos tipos de motor, de transmissão, de bateria, de controlador de velocidade, uma gama de combinações diferentes destes itens se encontra hoje em veículos elétricos.

Com toda esta diversidade de combinações, o funil do VE é sempre a bateria, sobretudo quando se refere ao tamanho, peso, autonomia, vida útil, tempo de carga ou custo. Ou seja, há que se rever os conceitos a seguir sobre VE:

I - O VE é assombrosamente silencioso. Alguns cuidados devem ser tomados em relação à dirigibilidade.

II - Não se pode comparar o veículo à combustão com o VE. O comprometimento da potência do motor é, no VE, com a autonomia da bateria. Ou seja, o motor elétrico deve ter uma curva de aceleração otimizada, independente da solicitação do motorista.

III - O VE deve ser um carro pequeno, para no máximo 4 pessoas. Não é para grandes trajetos, percorre no máximo 200 km e permanece algum tempo parado. É o típico segundo veículo, com o qual o indivíduo diariamente se transporta até o ambiente de trabalho e, depois de 8 horas, retorna para casa.

Com base nesta revisão de conceitos, o VE deveria ser um veículo para 2 (ou 4) lugares, leve, lento, silencioso, não poluidor do ar, sem acessórios elétricos (em países tropicais), com poucas partes móveis e com pouca manutenção (com exceção das baterias). Este trabalho visa o estudo e implementação de um VE com os conceitos revistos, dando ênfase notadamente à realização de um controlador de velocidade de baixo custo.

2. Principais características do veículo

O Mini-Baja é um veículo idealizado para competições esportivas e para fins educativos, é relativamente robusto e capacitado para trafegar em quaisquer condições de terreno (off-road). Com tração traseira, é movido por um único motor de quatro tempos, refrigerado a ar, de 8 HP, fabricado pela indústria norte-americana Briggs&Stratton, podendo atingir a velocidade de 60 km/h. O chassi monoposto tipo gaiola tem estrutura de aço tubular 1020, e as principais características são:

Dimensões: 2 m x 1 m x 1 m. Distância entre eixos: 1,70 m. Peso: 205 kg (com tanque para 5 litros de gasolina). Transmissão: cônica com dois estágios de redução por correntes, sem marcha à ré.

A adaptação das partes mecânicas para utilizar o Mini-Baja elétrico, para ensaios nesse trabalho, não foram muitas. A estrutura foi montada em alumínio, e a transmissão foi efetuada por correia e polias, diretamente no eixo do motor,

com uma relação de 5:1. O motor de combustão interna tem uma eficiência inferior a 40%, enquanto os motores

Um motor altamente eficiente, porém alimentado por uma bateria ineficiente, não resolve o problema. Os VEs precisam ainda de reduções drásticas no arraste aerodinâmico e na resistência de rolagem. Isto implica em novo desenho para a forma do veículo e para seus pneus.

O arraste aerodinâmico, definido como a força que se opõe ao movimento do veículo e que aumenta com o quadrado da velocidade, pode ser reduzido de duas maneiras (Scaduto; Fenton, 1993):

1 - trafegando em menor velocidade. Isto torna o VE menos atrativo para o consumidor atual.

2 - reduzindo o coeficiente de arraste que hoje varia de 0,3 a 0,4. Desenhos especiais para VE permitem que o coeficiente chegue a 0,2.

Uma redução extra obtém-se pelo emprego de pneus mais rígidos e mais estreitos, mesmo com o sacrifício do conforto. Com o dobro da pressão dos pneus comuns, a resistência de rolagem de 0,01 a 0,02 pode cair para 0,004 a 0,007.

A forma mais inteligente de aumento de eficiência do VE é através do uso do freio regenerativo ao invés do simples freio à fricção, que é também mantido, porém com menor utilização.

Dentre os vários tipos de motores para VE, o de indução é essencialmente um motor de velocidade constante quando conectado a uma fonte com tensão e freqüência constantes. A velocidade de operação está relacionada com a velocidade síncrona. Se o torque de carga aumenta, a queda de velocidade é muito pequena. Isto, entretanto, é conveniente para o uso em sistemas com velocidades constantes.

Este trabalho apresenta a realização de um inversor com PWM em malha aberta e de baixo custo, utilizando motor de indução trifásico com características específicas para o VE. A opção pelo desenvolvimento de um VE equipado com motor de indução trifásico se baseia em: simplicidade de construção, elevado índice de confiabilidade, robustez, não necessita de circuito de partida, facilidade de reversão de movimento e fácil controle de velocidade por inversores.

3. O controle de velocidade

Várias são as técnicas de controle de velocidade de motores e, para as opções de implementação digital, proposta deste trabalho, quanto maior a velocidade de operação do motor, menor o período de amostragem necessário e, portanto, maior o custo. Além disso, quanto maior a freqüência de chaveamento dos inversores, maior o custo dos dispositivos semicondutores e drivers (Gottlieb, 1994).

Dentre as principais técnicas de controle de velocidade de motor de indução, a de Controle Vetorial e a PWM são as mais comumente utilizadas (Analog Devices, 1994). A PWM de malha aberta é a mais simples de ser realizada, e satisfaz quando a velocidade de saída não necessita de grande precisão, como no VE onde o controle é feito no acelerador pelo próprio motorista.

3.1 Mecanismo de produção de torque

Conforme apresentado em (Analog Devices, 1994), o torque no motor de indução pode ser calculado pela expressão (1): Md = 3 (P/2) (Vm / ws) 2 Rr wr / [Rr 2 + (wr Lr) 2 ] (1)

Onde: Vm : força contra eletro-motriz - FCEM

ws : freqüência angular da corrente no estator (entrada)

wr : freqüência angular da corrente no rotor

Rr : resistência do rotor

Lr : indutância do rotor

P : número de pólos

A expressão (1) mostra que o torque da máquina dependerá somente de wr, se a relação Vm / ws for mantida

constante. Esta relação é a amplitude do fluxo no entreferro:

ψ

Mantendo o fluxo no entreferro constante e variando a freqüência no estator, uma família de curvas torque x velocidade pode ser obtida para o motor, como apresentado na Fig. (1). Este é um método de controle de velocidade conhecido como controle de fluxo constante (Gottlieb, 1994; Analog Devices, 1994).

Na Figura (1) é possível se verificar que qualquer demanda de torque de carga, dentro da capacidade da máquina, pode ser conseguida em todas as velocidades dentro da faixa de operação. Além disto, é possível se obter elevados torques para a partida do motor operando em freqüências reduzidas. É difícil realizar o método descrito pois a FCEM (Vm) não pode ser medida diretamente. Pode ser calculada através das medidas de corrente e tensão (Vs) nos terminais

do motor, mas isto resulta em grande complexidade dos circuitos de controle. Na prática, esta técnica é realizada de forma aproximada, fazendo-se a relação Vs/ws constante. A tensão nos terminais do motor e a FCEM são correlacionadas

em amplitude, para velocidades dentro de quase toda a faixa de operação do motor. Para velocidades baixas, as perdas na resistência do estator e na indutância mútua tornam-se consideráveis, em relação à FCEM. Isto significa que, em baixas freqüências, manter Vs/ws constante não é equivalente a manter o fluxo constante. Neste caso a capacidade de

torque da máquina é reduzida.

Região de campo enfraquecido Freqüência (ωs) pu Torque Md (pu) W1 W2 W3 W4 W5 W6 Mdmax

Figura 1. Características Torque x Velocidade para Fluxo Constante.

3.2 Finalidade da modulação por largura de pulso e o inversor

A finalidade básica dos métodos de modulação por largura de pulso é produzir a amplitude e freqüência de uma onda fundamental determinada, mantendo a energia das harmônicas na mais alta faixa do espectro de freqüências. Nestas altas freqüências, a indutância do motor apresentará apreciável reatância, limitando portanto as correntes harmônicas geradas pelo chaveamento, e os torques pulsantes resultantes destas harmônicas são de freqüências elevadas, não impedindo o motor de rodar suavemente.

O controlador de velocidade pode ser dividido em duas partes: Inversor e Circuito de Controle/Regulação (PWM). A bateria alimenta um inversor, que é disparado pelo circuito PWM para alimentar o motor trifásico, de acordo com a velocidade comandada, como ilustra a Fig. (2).

Figura 2. Diagrama de Blocos do Controlador.

3.3 Dificuldades do projeto digital

A geração de corrente senoidal pelo uso da modulação PWM, em cargas indutivas, é bastante difundida. A geração PWM discreta, otimizada e sincronizada é usada para controle de velocidade de motores CA, em malha aberta, para a geração de correntes quase senoidais no motor (Marcelino; Fiorotto, 1997). Utiliza a técnica da relação V/f constante para manter o torque nominal do motor. A geração é feita para um número restrito de velocidades.

Com uma portadora triangular, de freqüência significativamente maior que o sinal modulador (senoidal), pode-se variar o índice de modulação, de forma a se manter constante a relação V/f. A comparação entre o sinal modulador e a portadora deve ser feita várias vezes em cada período da portadora, para que a geração de harmônicas seja reduzida (Gottlieb, 1994).

A dificuldade está em se conseguir fazer tal comparação em tempo real, quando a freqüência do sinal modulador é alta, uma vez que em uma realização digital o tempo entre as amostras pode ser reduzido. O exemplo a seguir ilustra bem esta afirmação, apresentando as freqüências dos sinais:

fm=60 Hz (sinal modulador), fp=1500 Hz (freqüência da portadora), fa=30 kHz (freqüência de amostragem)

Neste caso, existirão apenas 20 amostras de pulsos (30/1,5) gerados em cada período da onda triangular, uma resolução modesta. Com a freqüência de amostragem do exemplo, existem apenas 33,3 µs para realização da tarefa que, se comparado aos tempos de processamento de microcontroladores de baixo custo, pode ser considerado reduzido (MacKenzie, 1995).

Como a comparação envolve testes e decisões que o tempo disponível não permite que sejam realizados, a solução é o uso de tabelas pré-programadas em memórias ROM. Neste caso, o problema ocorre no tamanho das tabelas de cada freqüência, sobretudo para as freqüências menores, o que inviabiliza a técnica. O exemplo a seguir ilustra bem esta afirmação:

fm=60 Hz tabela= 500 posições

fm=3 Hz tabela= 10.000 posições

3.4 Discretização, otimização e sincronização da modulação

A velocidade é controlada com torque quase constante, com transição entre períodos de uma mesma freqüência feita com variação zero de amplitude, evitando-se harmônicos indesejáveis. O mesmo acontece na transição entre períodos de freqüências diferentes, alterando apenas os índices de modulação.

O efeito de grandes transições de índices de modulação pode ser minimizado, fazendo-se a variação passar por freqüências adjacentes até chegar à freqüência alvo.

A otimização de que trata este trabalho se refere à montagem de tabelas apenas com dados que estão alterando a saída dos sinais de controle do PWM trifásico para o inversor, como mostra a Tabela (1). Os números na tabela otimizada caracterizam a quantidade de repetição. No exemplo, a tabela de tamanho 18 foi otimizada para 12. A otimização gera a necessidade de leitura não periódica da tabela.

Tabela 1. Otimização da Tabela de Velocidade.

Amostra Tab. Normal Tab. Otimizada

1 a a a 4 a b a 3 5 b a b 2 b c a 5 a a 10 c 1 c c 12 c 3 c c 15 a c c 18 c

a,b,c: palavras binárias distintas

3.5 Fatores importantes para o controle de velocidade

Para redução de harmônicas devido à técnica de PWM, além de se manter o índice de modulação menor ou igual a um, deve-se seguir alguns critérios sobre a relação entre a freqüência da portadora e a freqüência do sinal modulador, n = fc/fm (Analog Devices, 1994). Um resumo sobre n é apresentado a seguir.

n: deve ser inteiro, para que haja periodicidade nas tensões geradas pelo inversor, evitando o surgimento de sub-harmônicas.

n: deve ser ímpar, para eliminar as harmônicas pares.

n: deve ser o maior possível, para que a indutância do motor elimine mais facilmente as harmônicas de freqüências maiores. Em outras palavras, para que a corrente em cada fase do motor resulte a mais senoidal possível.

n: deve ser múltiplo de 3, para motores trifásicos, para que a tensão das três fases sejam idênticas.

n: deve ser o menor possível, para que o tempo entre amostras do PWM seja o maior possível, reduzindo assim o custo de realização.

Procurou-se então atender todas essas recomendações, e o valor escolhido foi n = 21.

Este trabalho usa o microcontrolador INTEL 80C31, um microcontrolador de 8 bits e de baixo custo. Para este dispositivo, o tempo mínimo suficiente para execução das tarefas, em intervalos de amostragem das tabelas, está em torno de 22

µ

Um outro importante fator para sincronização da portadora é escolher a amostragem da onda triangular múltiplo de quatro, para que a decomposição da mesma em 4 segmentos de retas esteja 100% sincronizada nas 3 fases. O número de amostras, N, por período da portadora é dado pela expressão (3)

N = 1 / fa n ts (3)

onde:

fa : freqüência alvo do controle;

ts : período de leitura da tabela ou de amostragem (22

µ

Então, para fa = 60 Hz, N = 1 / (60) (21) (22) 10-6 = 36,075

Como deve ser inteiro e múltiplo de quatro, N é aproximado para o valor mais próximo que satisfaça esta necessidade (36), e a feqüência real de operação (fr) será, então, fr = 1/ (36) (21) (22) 10-6 = 60,125 Hz. Ou seja, a

freqüência de operação não será exatamente a freqüência alvo, mas será satisfatória para o sistema de malha aberta. Se para a freqüência de 60 Hz, que é o pior caso para a implementação digital, a resolução de 36 amostras por período da portadora é suficiente, com o objetivo de reduzir o tamanho, construíram-se tabelas, antes da otimização, com tamanhos fixos:

n N = (21) (36) = 756 posições (4) Exemplos considerando o tamanho da tabela conforme a expressão (4):

i. Para fa = 55 Hz, calcula-se ts = 24,05

µ

Como o microcontrolador pode ser interrompido em intervalos inteiros de microssegundos, escolhe-se: ts = 24

µ

⇒

ii. Para fa = 30 Hz, calcula-se ts = 44,09

µ

Escolhendo-se ts = 44

µ

⇒

Para o controlador de velocidade apresentado neste trabalho, 12 freqüências foram escolhidas com intervalos de 5 Hz, entre 5 e 60 Hz, e esta solução viabilizou a aplicação com microcontrolador de baixo custo.

4. Ensaios do veículo e resultados 4.1 Características do protótipo

Considerando os novos conceitos para o VE, a eficiência do motor e as variações lentas de velocidade, para o protótipo, a EBERLE do Brasil adaptou um motor de indução trifásico, do tipo gaiola de esquilo, de 2 pólos, com carcaça de alumínio, de 3 HP, 220 V, 120 Hz, que no protótipo foi usado até 110 V, 60 Hz, limitando a potência em 1,5 HP.

Como o objetivo do trabalho não é o estudo das baterias, utilizou-se um retificador da rede de 110 Volts com um filtro capacitivo, para substituir as baterias, e uma extensão capaz de permitir o deslocamento do veículo no solo.

O peso resultante sem as baterias, em torno de 160 kg, contou com a estrutura e a carcaça do motor em alumínio. A velocidade máxima no ensaio é de 18 km/h. Sem câmbio e com velocidades discretas, a ré é realizada simplesmente trocando-se duas fases do motor.

A placa do inversor é única, sendo que o chaveamento é realizado com uma ponte de 6 IGBTs da International Rectifier Inc.

4.2 Medida da corrente no motor

Com o objetivo de mostrar a redução da corrente elétrica, mediu-se a corrente em uma das fases do motor, colocando-se um resistor de 160 mΩ em séria com a fase e registrando-se a tensão sobre este resistor. A Figura (3) apresenta a forma de onda de corrente, quase senoidal, para uma aceleração brusca, de 0 Hz a 60 Hz. Observa-se o consumo excessivo de corrente devido ao elevado escorregamento na partida.

Figura 3. Corrente para Aceleração Brusca.

A Figura (4) apresenta um registro da corrente, mas, desta vez, o algoritmo de controle força o motor passar por 2 velocidades intermediárias, antes de atingir a velocidade final. O escorregamento é mínimo, com a corrente mantendo quase que a mesma amplitude. De fato, a aceleração não é tão suave, uma vez que cada velocidade discreta tem duração aproximada de apenas 150 ms. Para o motorista, a sensação é de uma aceleração igualmente alta, porém sem consumo excessivo de carga da bateria.

Figura 4. Corrente para Aceleração Lenta.

5. Conclusões

Questiona-se neste trabalho a idéia de que o veículo elétrico deva ser equiparado ao veículo à combustão interna, e sugere-se que o VE seja considerado como o possível segundo carro da família. Apresenta-se neste trabalho uma técnica simples para geração de sinais de controle de um PWM trifásico, a qual permitiu a realização de um inversor de freqüência controlado por um microcontrolador de 8 bits e baixo custo, especialmente desenvolvido para acionar um veículo elétrico monoposto, do tipo Mini-Baja, dotado de um motor de indução trifásico. Os ensaios mostraram que o controle em malha aberta da velocidade do veículo elétrico permite reduzir a amplitude das correntes transitórias e, desta forma, aumentar a vida útil da bateria, que continua sendo o maior desafio do veículo elétrico

6. Referências

Anonymous, 1994, “A Tutorial in AC Induction and Permanent Magnet Synchronous Motors”, Analog Devices Inc., Massachusetts, USA, pp.25-31.

Cocconi, A., Gage, T., April 2002, “A Plug for Plug-in Cars”, IEEE Spectrum, pp.14-15.

Gottlieb, I. M., 1994, ch. 8, “Electric Motors and Control Techniques” (2nd edition), TAB Books - McGraw-Hill, New York, USA, 294 p.

Marcelino, M.A., Fiorotto, F.A., 1997, “Geração PWM Discreta, Otimizada e Sincronizada”, Patente Brasileira (INPI) - PI97040810-9.

MacKenzie, I.S., 1995, “The 8051 Microcontroller” (2nd edition), Prentice Hall, Upper Saddle River, USA, 356 p. Scaduto, T., Fenton, B.C., April 1993, “The EV Revolution”, Popular Electronics, Vol.6, n.4, pp.31-36, 88.

Low-Current Consumption Electric Vehicle

Summary. This paperwork proposes the use of Pulse Width Modulation (PWM) to control the speed of an automotive vehicle that has electrical traction provided by a battery-fed three-phase induction motor. The PWM is implemented by a low-cost

microcontroller provided with optimized charts for distinct speed value implementations, synchronized transition between different charts and reduced odd harmonics generation. The open-loop speed control is implemented with an equal voltage/frequency ratio, in order to maintain a constant amount of torque. This technique was implemented using a single passenger vehicle, a Mini-Baja vehicle type. The essays have shown that, besides eliminating mechanical parts, its application resulted on reduced electrical current consumption.

Keywords. Electric vehicle, induction motor, speed control, pulse width modulation, mini-baja.

Direitos Autorais