Delfim Duarte Rolo Pedrosa Desenvolvimento de um …intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42986.pdf · prática deste trabalho. Ao Professor Doutor Carlos Couto e ao Professor

Delfim Duarte Rolo Pedrosa

Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico

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Julho de 2010UMin

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Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Julho de 2010

Tese de MestradoCiclo de Estudos Integrados Conducentes aoGrau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Trabalho efectuado sob a orientação doProfessor Doutor João Luiz Afonso

Delfim Duarte Rolo Pedrosa


Universidade do MinhoEscola de Engenharia

Aos meus Pais

“Há uma força motriz mais poderosa que o vapor,

a electricidade e a energia atómica: a vontade.”

“Nunca tenha o estudo como uma obrigação, mas sim como uma

oportunidade para penetrar no maravilhoso mundo do saber.”

Albert Einstein


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho iii

Agradecimentos

Desejo agradecer ao meu orientador Professor Doutor João Luiz Afonso pela

disponibilidade, compreensão, cooperação, incentivo, e por ter permitido que usufruísse

de um espaço no Laboratório de Electrónica de Potência, possibilitando a execução

prática deste trabalho.

Ao Professor Doutor Carlos Couto e ao Professor Doutor Júlio Martins pela ajuda

prestada na recta final desta dissertação.

Aos Investigadores do Laboratório de Electrónica de Potência da Universidade do

Minho, Domingos Gonçalves, Gabriel Pinto, Hélder Carneiro, Henrique Gonçalves,

Pedro Neves, Renato Alves e Vítor Monteiro, pela ajuda e disponibilidade, pelas críticas

e sugestões dadas ao longo da dissertação.

Aos colegas alunos de Mestrado presentes no mesmo laboratório, André

Nogueira, Bruno Exposto, Filipe Conde, Luciana Moreira, Pedro Tinoco, e Telmo

Santos. Pelo incentivo e ajuda. A estes, como aos Investigadores, um grande obrigado

pelo ambiente fantástico existente no Laboratório.

Ao Hélder Carneiro, Henrique Gonçalves e Vítor Monteiro pelos conselhos dados

durante a revisão paciente da escrita.

Aos meus pais Manuel e Albertina e à minha irmã Ana pelo esforço e apoio dado

ao longo de todo o meu percurso académico.

A todas as pessoas não mencionadas, que ajudaram directamente e indirectamente

na elaboração desta dissertação.


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho v

Resumo

Os veículos com sistemas de propulsão eléctrica cada vez mais são uma

importante aposta da sociedade, uma vez que existe a necessidade de reduzir as

emissões de gases com efeito de estufa, bem como da dependência do petróleo.

Esta Dissertação de Mestrado descreve o desenvolvimento de um veículo eléctrico

a partir de um carro com um motor de combustão interna.

Ao longo desta dissertação, numa fase inicial é apresentado o estado da arte sobre:

os veículos eléctricos, veículos híbridos e veículos a célula de combustível; os

principais tipos de motores eléctricos e de elementos armazenadores de energia mais

usados nos veículos com sistemas de propulsão eléctrica. Depois são apresentadas as

várias topologias de motores eléctricos com fluxo axial, apresentando também as

características do motor eléctrico de fluxo axial utilizado neste trabalho, bem como o

tipo de sistema de controlo aplicado a este tipo de motor eléctrico. São ainda

apresentados os resultados obtidos a partir da simulação do sistema de controlo para

este motor.

Todos os circuitos electrónicos necessários à conversão de um veículo com motor

de combustão interna num veículo eléctrico foram desenvolvidos no âmbito deste

trabalho, desde o inversor trifásico a IGBTs, sistema de medição de tensões, correntes,

posição do rotor do motor e temperatura, sistemas de protecção, ao sistema de controlo

baseado no DSP TMS320F2812 da Texas Instruments. Após a implementação dos

circuitos electrónicos necessários para o veículo eléctrico, o motor eléctrico foi testado

numa bancada de teste com medição de binário.

Para o desenvolvimento do veículo eléctrico foi comprado um Volkswagen Polo

de 1996, que está a ser modificado para que o motor de combustão interna seja

substituído pelo motor eléctrico de fluxo axial, e para a colocação dos circuitos

electrónicos desenvolvidos, juntamente com as vinte e quatro baterias de chumbo, com

capacidade de armazenamento de energia de 9,5 kWh.

No âmbito desta dissertação não foi possível concluir o projecto de

desenvolvimento de um veículo eléctrico, sendo que este projecto irá continuar nos

próximos meses.

Após concluído o veículo eléctrico, este será homologado, e deverá ter autonomia

para viajem de ida e volta entre os campus de Braga e Guimarães da Universidade do

Minho.

Palavras-Chave: Veículos Eléctricos, Veículos Híbridos, Veículos a Célula de

Combustível, Motores de Fluxo Axial, Controlo de motores de

fluxo axial.


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho vii

Abstract

Electrical propulsion vehicles are more than ever an important matter to society,

because green house gas emissions must be reduced, and for the reason that it is also

important to reduce oil dependence.

In this Master Thesis it is described the development of an electric vehicle,

converted from a conventional internal combustion engine car.

In the first part of this Thesis it is presented the state of the art of: electric

vehicles, hybrid vehicles and fuel cell vehicles; the main types of axial flux electric

motors and the most used energy storage elements, in vehicles with electrical propulsion

systems. After that, several topologies of axial flux electric motors are presented. There

are also described the characteristics of the axial flux motor used in this work, as well as

the type of control system applied to this motor. Simulation results of the control system

developed to this motor are also presented.

All the electronics circuits necessary to the conversion of the internal combustion

engine car into an electric vehicle were developed in the course of this work: a three-

phase IGBT inverter, voltages, currents, temperature and rotor position measuring

systems, protection circuits, and a control system based in DSP TMS320F2812 of the

Texas Instruments. After the assembly of all electrical and electronics components and

circuits necessary to the electric vehicle, the electric motor was tested in a testing bench,

which includes a torque measurement system.

For the implementation of this work it was bought an 1996 Volkswagen Polo,

which is being modified in a way that the internal combustion engine can be replaced by

the axial flux motor, and in order that it is possible to accommodate properly all the

developed electronics circuits and the twenty four Lead-Acid batteries, with a total

energy storage capability of 9,5 kWh.

Under the scope of this Master Thesis it was not possible to complete all the work

necessary to accomplish the transformation of the internal combustion engine car into

an electric vehicle. Therefore, since this project is not finished yet, it will continue

during the next months.

After the development of the electric vehicle is completed, this car will be

homologated, and it is expected that it will have enough autonomy to travel the distance

between the campus of University of Minho in Braga and Guimarães, returning to the

starting point without being necessary to recharge the batteries.

Keywords:Electric Vehicles, Hybrid Vehicles, Fuel Cell Vehicles, Axial Flux Electric

Motors, Control System for Axial Flux Electric Motors.


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho ix

Índice

Agradecimentos .........................................................................................................................................iii

Resumo ........................................................................................................................................................ v

Abstract ..................................................................................................................................................... vii

Lista de Figuras ......................................................................................................................................... xi

Lista de Tabelas ........................................................................................................................................ xv

Lista de Abreviaturas ............................................................................................................................. xvii

CAPÍTULO 1 Introdução .................................................................................................................... 1

1.1. Enquadramento ............................................................................................................................... 1

1.2. Motivações ..................................................................................................................................... 1

1.3. Objectivos....................................................................................................................................... 2

1.4. Organização da Dissertação ........................................................................................................... 2

CAPÍTULO 2 Tecnologias dos Veículos Eléctricos ........................................................................... 5

2.1. Introdução....................................................................................................................................... 5

2.2. Veículos Eléctricos ......................................................................................................................... 5

2.2.1. Vantagens e Desvantagens dos Veículos Eléctricos ........................................................... 8

2.2.2. Configurações de Veículos Eléctricos ................................................................................. 9

2.3. Veículos Híbridos ......................................................................................................................... 12

2.3.1. Veículo Híbrido do tipo Série ........................................................................................... 15

2.3.2. Veículo Híbrido do tipo Paralelo ...................................................................................... 17

2.3.3. Veículo Híbrido do tipo Série-Paralelo ............................................................................. 18

2.3.4. Vantagens e Desvantagens dos Veículos Híbridos ........................................................... 19

2.4. Veículos a Células de Combustível .............................................................................................. 20

2.4.1. Vantagens e Desvantagens dos Veículos a Células de Combustível ................................ 22

2.5. Motores Eléctricos ........................................................................................................................ 22

2.5.1. Motores de Corrente Contínua .......................................................................................... 23

2.5.2. Motores de Indução ........................................................................................................... 24

2.5.3. Motor Síncrono de Ímanes Permanentes ........................................................................... 24

2.5.4. Motor de Relutância .......................................................................................................... 25

2.5.5. Comparação entre os Motores Apresentados .................................................................... 26

2.6. Sensores de Posição...................................................................................................................... 27

2.6.1. Sensor Óptico .................................................................................................................... 27

2.6.2. Resolver............................................................................................................................. 29

2.6.3. Sensor OnAxis ................................................................................................................... 30

2.7. Elementos Armazenadores de Energia ......................................................................................... 32

2.7.1. Baterias ............................................................................................................................. 33

2.7.2. Volante de Inércia ............................................................................................................. 37

2.7.3. Ultracondensadores ........................................................................................................... 37

2.8. Comparação entre Veículos Eléctricos e Veículos de Combustão Interna ................................... 38

2.9. Normas aplicadas a Veículos de Propulsão Eléctrica ................................................................... 39

2.10. Homologação de Veículos Eléctricos em Portugal ...................................................................... 42

2.11. Conclusão ..................................................................................................................................... 42

CAPÍTULO 3 Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes ................................................. 45

3.1. Introdução..................................................................................................................................... 45

Índice

x Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho

3.2. Motores de Fluxo Axial ................................................................................................................ 45

3.3. Topologias dos Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes ............................................. 46

3.4. Modelo do Motor AFIR-S ............................................................................................................ 51

3.5. Motores de Fluxo Axial vs. Motores de Fluxo Radial .................................................................. 53

3.6. Motor Eléctrico Utilizado na Conversão ...................................................................................... 54

3.7. Controlo de Motores de Fluxo Axial ............................................................................................ 57

3.8. Conclusão ..................................................................................................................................... 63

CAPÍTULO 4 Simulações do Sistema de Controlo do Motor Eléctrico ........................................ 65

4.1. Introdução..................................................................................................................................... 65

4.2. Circuito de Potência ..................................................................................................................... 65

4.3. Sistema de Controlo ..................................................................................................................... 66

4.4. Resultados das Simulações ........................................................................................................... 66

4.4.1. Cálculo das Transformadas Inversas de Clarke e Park ..................................................... 67

4.4.2. Cálculo das Transformadas de Clarke e Park .................................................................... 68

4.4.3. Simulação do Sistema de Controlo ................................................................................... 71

4.5. Conclusão ..................................................................................................................................... 77

CAPÍTULO 5 Implementação ........................................................................................................... 79

5.1. Introdução..................................................................................................................................... 79

5.2. Sistema de Controlo ..................................................................................................................... 79

5.2.1. Sensor de Corrente ............................................................................................................ 79

5.2.2. Sensor de Tensão .............................................................................................................. 81

5.2.3. Sensor de Posição .............................................................................................................. 83

5.2.4. Sensor de Posição do Acelerador ...................................................................................... 83

5.2.5. Placa de Entradas .............................................................................................................. 84

5.2.6. Placa de Saídas .................................................................................................................. 84

5.2.7. Circuito de Condicionamento de Sinal .............................................................................. 85

5.2.8. Circuito de Comando ........................................................................................................ 86

5.2.9. Circuito do Conversor Digital Analógico ......................................................................... 87

5.2.10. LCD .................................................................................................................................. 87

5.2.11. Fonte de Alimentação ....................................................................................................... 88

5.2.12. DSP/Microcontrolador ...................................................................................................... 88

5.3. Circuito de Potência ..................................................................................................................... 91

5.3.1. Inversor ............................................................................................................................. 92

5.3.2. Fonte de Alimentação ....................................................................................................... 97

5.3.3. Banco de Condensadores do Lado CC do Inversor ........................................................... 98

5.3.4. Contactor Geral e Fusível.................................................................................................. 99

5.4. Carro Escolhido para a Conversão ............................................................................................... 99

5.5. Conclusão ................................................................................................................................... 102

CAPÍTULO 6 Resultados Experimentais ....................................................................................... 105

6.1. Introdução................................................................................................................................... 105

6.2. Ensaio do Motor Eléctrico como Gerador .................................................................................. 105

6.3. Resultados Experimentais do Sistema de Controlo do Motor .................................................... 107

6.4. Conclusão ................................................................................................................................... 109

CAPÍTULO 7 Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro ......................................................... 111

7.1. Conclusões ................................................................................................................................. 111

7.2. Trabalho Futuro .......................................................................................................................... 112

Referências .............................................................................................................................................. 113


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho xi

Lista de Figuras

Figura 2.1 – Carro eléctrico: Jamais Contente [5]........................................................................................ 6

Figura 2.2 – Carro com motor de combustão interna: Ford Modelo T [6]. .................................................. 6

Figura 2.3 – Carro eléctrico: EV1 da General Motors [7]. ........................................................................... 7

Figura 2.4 – Carro eléctrico: Tesla Roadster [8]. ......................................................................................... 7

Figura 2.5 – Carro eléctrico: Nissan Leaf [12]. ............................................................................................ 8

Figura 2.6 – Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção traseira, onde: M – Motor

eléctrico, E – Embraiagem, CV – Caixa de velocidades, CR – Caixa redutora e D - Diferencial. ............... 9

Figura 2.7 – Carro eléctrico: Peugeot BB1 [16]. ........................................................................................ 10

Figura 2.8 – À esquerda o tipo de motor in wheel utilizado no carro eléctrico Mitsubishi ColtEV, à

direita .......................................................................................................................................................... 10

Figura 2.9 - Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção dianteira, onde: M – Motor

eléctrico, E – Embraiagem, CV – Caixa de velocidades, CR – Caixa redutora e D - Diferencial. ............. 11

Figura 2.10 - Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção integral, onde: M – Motor

eléctrico e CR – Caixa redutora. ................................................................................................................. 12

Figura 2.11 – Carro eléctrico: Mitsubishi Lancer Evolution MIEV [18]. ................................................... 12

Figura 2.12 – Carro híbrido: Mixte [19]. .................................................................................................... 13

Figura 2.13 – Carro híbrido: Voiturette [20]. ............................................................................................. 13

Figura 2.14 – Carro híbrido: GM512 [21]. ................................................................................................. 14

Figura 2.15 - Primeira geração do carro híbrido Toyota Prius [22]. .......................................................... 14

Figura 2.16 – Carro híbrido: Audi Duo III [23]. ......................................................................................... 15

Figura 2.17 – Primeira geração do carro híbrido Honda Insight [24]......................................................... 15

Figura 2.18 – Esquema do sistema série dos Veículos Híbridos. ............................................................... 16

Figura 2.19 – Carro híbrido: Chevrolet Volt [29]. ...................................................................................... 16

Figura 2.20 - Esquema do sistema paralelo dos veículos híbridos. ............................................................ 17

Figura 2.21 – Carro híbrido: Honda Insight, segunda geração [30]. .......................................................... 18

Figura 2.22 - Esquema do sistema série-paralelo dos veículos híbridos. ................................................... 19

Figura 2.23 – Terceira geração do carro híbrido Toyota Prius [31]. .......................................................... 19

Figura 2.24 - Célula de combustível com membrana de polímero electrolítico [32].................................. 20

Figura 2.25 - Esquema do sistema composto pela célula de combustível. ................................................. 21

Figura 2.26 – Carro a células de combustível: Electrovan da General Motors [33]. ................................. 21

Figura 2.27 - Carro a células de combustível Honda FCX Clarity [35]. .................................................... 21

Figura 2.28 – Tipos de motores eléctricos mais usados nos veículos eléctricos [36]. ................................ 22

Figura 2.29 – Carro eléctrico com motor DC, FUTI [42]. .......................................................................... 24

Figura 2.30 – Exemplo da colocação dos ímanes permanentes no rotor: ímanes superficiais

(esquerda) e ímanes interiores (direita) [43]. .............................................................................................. 25

Figura 2.31 – Formas de onda da força contra-electromotriz (e) e da corrente de alimentação (i):

PMSM (esquerda) e BLDC (direita) .......................................................................................................... 25

Figura 2.32 – Sensor óptico [47]. ............................................................................................................... 27

Figura 2.33 – Sensor óptico em quadratura [48]. ....................................................................................... 28

Figura 2.34 – Sensor óptico absoluto [48]. ................................................................................................. 28

Lista de Figuras

xii Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho

Figura 2.35 – Sensor resolver [49]. ............................................................................................................ 29

Figura 2.36 – Formas de onda da tensão de referência e das tensões de saída do sensor resolver [49]. .... 29

Figura 2.37 – Sensor OnAxis [50]. ............................................................................................................. 30

Figura 2.38 – Array do sensor Hall com oito sensores. .............................................................................. 31

Figura 2.39 – Saída em SSI [50]................................................................................................................. 32

Figura 2.40 – Saída em incremental (esquerda), saída em seno/coseno (direita) [50]. ............................... 32

Figura 2.41 – Saída em tensão linear [50]. ................................................................................................. 32

Figura 2.42 – Carro eléctrico com baterias de Níquel-Hidreto-Metálico: Toyota RAV4 EV [53]. ............. 35

Figura 2.43 – Carro híbrido com baterias de Lítio-Polímero: Hyundai Elantra LPI [54]. ......................... 36

Figura 2.44 – Exemplo de uma bateria de Lítio Fosfato de Ferro [55]. ...................................................... 36

Figura 2.45 – Carro eléctrico com baterias de Lítio Fosfato de Ferro: BYD e6 [57]. ................................. 36

Figura 2.46 – Veículo híbrido com volante de inércia: Gyrobus no posto de carregamento em 1953

[58]. ............................................................................................................................................................ 37

Figura 3.1 – Formas de onda da força contra-electromotriz, à esquerda do motor BLDC e à direita do

motor síncrono de ímanes permanentes [64]. ............................................................................................. 46

Figura 3.2 – Topologia dos motores de fluxo axial com ímanes permanentes. .......................................... 47

Figura 3.3 – Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração single-sided: à esquerda

estator slotless e à direita estator slotted. .................................................................................................... 48

Figura 3.4 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator slotted: à

esquerda NN TORUS-S e à direita NS TORUS-S. .................................................................................... 48

Figura 3.5 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator slotless:

à esquerda NN TORUS-NS e à direita NS TORUS-NS. ............................................................................ 49

Figura 3.6 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator coreless

NS. .............................................................................................................................................................. 49

Figura 3.7 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided rotor interior: à

esquerda AFIR-NS e à direita AFIR-S. ...................................................................................................... 49

Figura 3.8 – Topologia SAT. ...................................................................................................................... 50

Figura 3.9 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided com estator

interior: à esquerda FCT-NS e à direita FCT-S. ......................................................................................... 50

Figura 3.10 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração multi-stage: à esquerda

estator slotted e à direita estator slotless ..................................................................................................... 51

Figura 3.11 – Geometria dos ímanes permanentes: (a) trapezoidal, (b) circular e (c) semicircular [1]. ..... 51

Figura 3.12 – Modelo equivalente do motor AFIR-S no eixo dq [68]........................................................ 52

Figura 3.13 – Comparação entre motores de fluxo axial e motores de fluxo radial: à esquerda motor

de fluxo axial e à direita motor de fluxo radial [81]. .................................................................................. 54

Figura 3.14 – Motor eléctrico de fluxo axial do tipo AFIR-S, utilizado neste trabalho. ............................ 55

Figura 3.15 – Rotor do motor utilizado [84]. .............................................................................................. 55

Figura 3.16 – Curva de binário vs velocidade e curva de potência vs velocidade do motor eléctrico

utilizado na conversão do veículo de combustão interna em veículo eléctrico [85]. .................................. 56

Figura 3.17 – Teste realizado para calcular as indutâncias Ld (esquerda) e Lq (direita). ............................ 57

Figura 3.18 – Diagrama de blocos simplificado do sistema de controlo das correntes dq [64]. ................. 58

Figura 3.19 – Representação do fasor corrente do motor AFIR-S para baixas e altas velocidades [1]. ..... 59

Figura 3.20 – Sistema de controlo de corrente e velocidade para o motor AFIR-S. .................................. 61

Figura 3.21 – Diagrama de blocos simplificado do controlo da velocidade [64]. ...................................... 62

Figura 4.1 – Circuito de Potência implementado no MATLAB. ................................................................. 66

Figura 4.2 – Sistema de Controlo implementado no MATLAB. ................................................................. 66

Lista de Figuras


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho xiii

Figura 4.3 – Circuito implementado para validar as transformadas inversas de Clarke e Park. ................. 67

Figura 4.4 – Ângulo eléctrico e saídas Valfa e Vbeta obtidas a partir da transformada inversa de Park. ........ 67

Figura 4.5 – Referências criadas pela transformada inversa de Clarke. ..................................................... 68

Figura 4.6 - Circuito implementado para validar as transformadas de Clarke e Park. ............................... 68

Figura 4.7 – Saídas Ialfa e Ibeta obtidas a partir da transformada de Clarke.................................................. 69

Figura 4.8 – Correntes consumidas pelo motor eléctrico, no teste das transformadas de Clarke e Park. ... 69

Figura 4.9 – Saídas Id e Iq obtidas a partir da transformada de Park. .......................................................... 69

Figura 4.10 - Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico, na simulação das transformadas

de Clarke e Park. ........................................................................................................................................ 70

Figura 4.11 – Velocidade angular do motor eléctrico, na simulação das transformadas de Clarke e

Park. ........................................................................................................................................................... 70

Figura 4.12 – Saída de posição do motor eléctrico. .................................................................................... 70

Figura 4.13 – Velocidade angular de referência e velocidade angular do motor eléctrico em vazio. ......... 71

Figura 4.14 – Referências de tensão aplicadas ao Inversor para controlar o motor eléctrico em vazio

para duas referências de velocidade. .......................................................................................................... 71

Figura 4.15 –Tensão para a transição entre velocidades angulares do motor eléctrico em vazio. .............. 72

Figura 4.16 – Correntes consumidas pelo motor eléctrico em vazio para duas referências de

velocidade. .................................................................................................................................................. 72

Figura 4.17 – Pormenor nas correntes consumidas pelo motor eléctrico em vazio durante a transição

da velocidade angular. ................................................................................................................................ 73

Figura 4.18 – Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico em vazio para duas referências de

velocidade. .................................................................................................................................................. 73

Figura 4.19 - Pormenor das tensões aos terminais do motor eléctrico em vazio durante a transição da

velocidade angular. ..................................................................................................................................... 73

Figura 4.20 - Velocidade de referência e velocidade de operação do motor eléctrico em carga. ............... 74

Figura 4.21 - Referências de tensão aplicadas ao Inversor para controlar o motor eléctrico em carga

para duas referências de velocidade. .......................................................................................................... 75

Figura 4.22 - Pormenor da transição entre velocidades angulares do motor eléctrico em carga. ............... 75

Figura 4.23 - Correntes consumidas pelo motor eléctrico em carga para duas referências de

velocidade. .................................................................................................................................................. 76

Figura 4.24 - Pormenor nas correntes consumidas pelo motor eléctrico em carga durante a transição

da velocidade angular. ................................................................................................................................ 76

Figura 4.25 - Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico em carga para duas referências de

velocidade. .................................................................................................................................................. 76

Figura 4.26 - Pormenor nas tensões aos terminais do motor eléctrico em carga durante a transição da

velocidade angular. ..................................................................................................................................... 77

Figura 5.1 – Sensor de corrente LA 200-P da LEM [89]. ........................................................................... 80

Figura 5.2 - Esquema de ligações do sensor LA 200-P da LEM. ................................................................ 80

Figura 5.3 – Placa dos sensores de corrente. .............................................................................................. 81

Figura 5.4 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [91]. ......................................................... 81

Figura 5.5 - Esquema de ligações do sensor LV 25-P da LEM. .................................................................. 82

Figura 5.6 – Placa com sensor de tensão e corrente. .................................................................................. 83

Figura 5.7 – Sensor de posição RMB28SC. ................................................................................................ 83

Figura 5.8 – Acelerador de um Renault Clio. ............................................................................................. 84

Figura 5.9 – Acelerador desmontado. ......................................................................................................... 84

Figura 5.10 – Placa de Entradas. ................................................................................................................ 84

Lista de Figuras

xiv Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho

Figura 5.11 – Placa de Saídas. .................................................................................................................... 85

Figura 5.12 – Placa de Condicionamento de Sinal. .................................................................................... 85

Figura 5.13 – Circuito de Comando. .......................................................................................................... 86

Figura 5.14 – Placa do DAC. ...................................................................................................................... 87

Figura 5.15 – LCD. ..................................................................................................................................... 87

Figura 5.16 – Fonte de alimentação do Sistema de Controlo. .................................................................... 88

Figura 5.17 - Diagrama de blocos dos módulos internos que constituem o DSP/microcontrolador

TMS320F2812 da Texas Instruments [93]. ................................................................................................. 89

Figura 5.18 – Placa do DSP/microprocessador TMS320F2812.................................................................. 90

Figura 5.19 – Programador XDS510LC da Spectrum Digital. .................................................................... 90

Figura 5.20 - Ambiente gráfico do Code Composer. .................................................................................. 91

Figura 5.21 - Diagrama multifilar do Circuito de Potência. ....................................................................... 92

Figura 5.22 - Módulo de IGBTs SKM200GB126D e respectivo esquemático [95]. ................................... 92

Figura 5.23 – Drive SKHI 22B H4 e respectivo esquemático [96]. ............................................................ 93

Figura 5.24 – Placa de drive: Vista inferior, à esquerda; Vista superior, à direita. .................................... 93

Figura 5.25 – Placa de Protecção à gate. .................................................................................................... 94

Figura 5.26 – Esquemático da placa de protecção à gate. .......................................................................... 94

Figura 5.27 – Aspecto final do Inversor. .................................................................................................... 95

Figura 5.28 – Tensão (à esquerda) e corrente (à direita) sintetizadas pelo Inversor. .................................. 96

Figura 5.29 – Linearidade do inversor. ....................................................................................................... 96

Figura 5.30 - Deadtime implementado entre IGBTs do mesmo ramo. ....................................................... 97

Figura 5.31 – 24 baterias, WCG-U1 da POWER. ....................................................................................... 97

Figura 5.32 – Os três transformadores utilizados na fonte de alimentação. ............................................... 98

Figura 5.33 – Banco de condensadores do lado CC do Inversor. ............................................................... 99

Figura 5.34 – Contactor geral e fusível. ..................................................................................................... 99

Figura 5.35 - Volkswagen Polo escolhido para a conversão em Veículo Eléctrico. ................................. 100

Figura 5.36 – Frente do carro já com o motor e caixa de velocidades retirados, à esquerda; motor de

combustão interna retirado, à direita. ....................................................................................................... 101

Figura 5.37 – Porta bagagens do carro onde vão ser colocadas algumas baterias. ................................... 101

Figura 5.38 - Aspecto final do sistema electrónico do veículo eléctrico em bancada. ............................. 103

Figura 6.1 – Montagem efectuada para realizar o teste ao motor eléctrico a funcionar como gerador. ... 105

Figura 6.2 – Tensão composta aos terminais dos dois estatores a uma velocidade de rotação de

500 rpm. ................................................................................................................................................... 106

Figura 6.3 – Tensão composta aos terminais do motor a uma velocidade de 1000 rpm (com os dois

rotores em paralelo). ................................................................................................................................. 106

Figura 6.4 – Comparação entre as tensões compostas do motor e a posição do rotor a uma velocidade

de 500 rpm. ............................................................................................................................................... 107

Figura 6.5 – Tensões e correntes à saída do motor a funcionar como gerador a uma velocidade de

500 rpm. ................................................................................................................................................... 107

Figura 6.6 – Primeiros resultados experimentais do sistema de controlo aplicado ao motor eléctrico:

Fundamentais das tensões aplicadas ao motor e correntes no motor. ....................................................... 108

Figura 6.7 – Aplicação do motor eléctrico escolhido para o veículo eléctrico na bancada de testes

para o ensaio do binário produzido. .......................................................................................................... 108


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho xv

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Avaliação dos motores para veículos eléctricos. ...................................................................... 26

Tabela 2 – Características do sensor OnAxis RMB28SC da RLS [50]. ....................................................... 31

Tabela 3 – Comparação entre alguns tipos de sistemas de propulsão. ....................................................... 39

Tabela 4 – Normas para terminologia em veículos híbridos. ..................................................................... 40

Tabela 5 – Normas respeitantes a baterias para veículos eléctricos. .......................................................... 40

Tabela 6 – Normas de segurança para veículos eléctricos. ......................................................................... 40

Tabela 7 – Normas para infra-estruturas aplicáveis a veículos eléctricos. ................................................. 41

Tabela 8 – Normas para componentes de veículos eléctricos..................................................................... 41

Tabela 9 – Normas para performances de veículos eléctricos. ................................................................... 41

Tabela 10 – Normas para ciclos de teste dos veículos em estrada. ............................................................. 42

Tabela 11 – Características do motor eléctrico utilizado na conversão do veículo de combustão

interna em Veículo Eléctrico. ..................................................................................................................... 56

Tabela 12 – Selecção de potenciais carros para a conversão. ................................................................... 100


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho xvii

Lista de Abreviaturas

AFIR Axial Flux Internal Rotor

AFPM Axial Flux Permanent Magnet

BLAC Brushless AC Motor

BLDC Brushless Direct Current

BMS Battery Management System

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contínua

DAC Digital to Analog Converter

DC Direct Current

DSP Digital Signal Processor

FOC Field Orientated Control

IEC International Electrotechnical Commission

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

IM Induction Motor

IMTT Instituto da Mobilidade e dos Transportes Terrestres

ISO International Organization for Standardization

JTAG Joint Test Action Group

LCD Liquid Crystal Display

LiFePO4 Lítio Fosfato de Ferro

LiPo Lítio Polimero

LVDT Linear Variable Differential Transformer

MATLAB MATrix LABoratory

NdFeB Neodímio-Ferro-Boro

NiCd Nickel Cadmium

NiMH Nickel-Metal- Hydride

Pb Chumbo

PCB Printed Circuit Board

PM Permanent Magnet

PMBLAC Permanent Magnet Brushless AC Motor

Lista de Abreviaturas

xviii Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho

PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor

PSCAD Power System Computer Assisted Design

PWM Pulse Width Modulation

RMS Root Mean Square

SAT Segmented Armature Torus

SLA Sealed Lead Acid

SPI Serial Peripheral Interface

SRM Switched Reluctance Motor

SSI Absolute Binary Synchro-Serial


Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho 1

CAPÍTULO 1

Introdução

1.1. Enquadramento

Os veículos com sistemas de propulsão eléctrica são, cada vez, mais uma

importante aposta da sociedade. Impulsionados pelos rumores de que o petróleo pode

acabar por volta de 2050 e pela necessidade de reduzir as emissões de gases com efeito

de estufa, conforme previsto no protocolo de Kyoto, implementado de forma definitiva

em 1997 pelos países membros, que se comprometeram em reduzir as emissões de

gases de efeito de estufa em cerca de 5,2% entre 2008 e 2012, em relação a 1990 [1],[2].

Um veículo com sistema de propulsão eléctrica pode ser equipado com qualquer

tipo de motor eléctrico; contudo com o avanço da electrónica de potência e com o

melhoramento das ligas magnéticas para a construção de ímanes, o motor que

actualmente apresenta melhores características em termos de eficiência e durabilidade é

o motor síncrono de ímanes permanentes [3].

O armazenamento de energia nos veículos com sistemas de propulsão eléctrica

pode ser realizado de diferentes formas: por meio de baterias, de hidrogénio, de um

volante de inércia e de ultracondensadores. Actualmente as baterias são o elemento

armazenador mais utilizado nos veículos com sistemas de propulsão eléctrica. Das

várias tecnologias de baterias as mais promissoras são as de iões de lítio, visto que

apresentam entre outras, uma maior densidade energética e maiores taxas de carga e

descarga em comparação com as outras tecnologias. Por outro lado, os

ultracondensadores são óptimos para utilizar quando o veículo possui travagem

regenerativa, pois apresentam uma curva de carga superior à das baterias [3],[4].

Esta Dissertação de Mestrado pretende estudar e propor uma solução para a

conversão de um veículo eléctrico a partir de um carro convencional com motor de

combustão interna.

1.2. Motivações

A motivação primordial para a conversão de um carro com motor de combustão

interna em um veículo eléctrico reside na necessidade de encontrar alternativas aos

combustíveis fosseis, de forma a reduzir as emissões de gases de efeito de estufa para a

Capítulo 1 – Introdução

2 Desenvolvimento de um Veículo Eléctrico Delfim Duarte Rolo Pedrosa – Universidade do Minho

atmosfera. Para a realização da conversão existe a necessidade de recorrer a várias áreas

tecnológicas, nomeadamente à electrónica de potência, para a implementação das

principais partes constituintes do veículo eléctrico, como por exemplo o controlador do

motor eléctrico utilizado na conversão.

Desenvolver tecnologia para KITS de conversão de um veículo com motor de

combustão interna em veículo eléctrico.

1.3. Objectivos

O principal objectivo desta dissertação é estudar e propor uma solução optimizada

e económica para a conversão de um carro de motor de combustão interna num veículo

eléctrico. Para que possa ser alcançado esse objectivo final, é necessário cumprir os

seguintes objectivos intermédios:

- Selecção de uma solução para armazenamento de energia;

- Escolha do motor eléctrico a ser aplicado no veículo;

- Definição de estratégias de controlo e topologias de accionamento aplicáveis ao motor

eléctrico escolhido;

- Desenvolvimento de um conversor CC-CA bidireccional a ser utilizado entre os

elementos armazenadores de energia e o motor eléctrico do veículo;

- Implementação das alterações mecânicas e eléctricas no veículo.

1.4. Organização da Dissertação

De acordo com os objectivos anteriormente mencionados, esta Dissertação de

Mestrado encontra-se organizada em sete capítulos, descritos e enumerados de seguida.

No Capítulo 1, denominado “Introdução”, é descrito o enquadramento do

trabalho, e são apresentadas as motivações, os objectivos e a organização da dissertação.

No Capítulo 2, é apresentado o “estado da arte” referente aos componentes

eléctricos que constituem o sistema electrónico a aplicar na conversão, principalmente,

os tipos de motores, os tipos de sensores de posição utilizados nos motores, bem como

os tipos de elementos armazenadores de energia aplicáveis a veículos eléctricos.

No Capítulo 3, denominado “Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes”,

é abordado o tipo de motor eléctrico escolhido para a conversão do veículo, desde as

diferentes topologias de motores de fluxo axial, passando pelo modelo do motor

eléctrico escolhido, e terminando com o sistema de controlo.

No Capítulo 4, denominado “Simulações do Sistema de Controlo do Motor

Eléctrico”, são apresentados e comentados os resultados das simulações computacionais

obtidos com o programa MATLAB para o sistema de controlo implementado.

No Capítulo 5, denominado “Implementação”, são descritas as partes constituintes

do Sistema de Controlo e do Circuito de Potência utilizadas para o accionamento do

Capítulo 1 – Introdução



motor do veículo eléctrico, bem como os primeiros passos realizados na conversão do

carro de combustão interna em veículo eléctrico.

No Capítulo 6, denominado “Resultados Experimentais”, são apresentados os

resultados obtidos no teste do motor eléctrico a funcionar como gerador e como motor,

alguns resultados do sistema de controlo implementado.

O Capítulo 7 apresenta as Conclusões e Sugestões de Trabalhos Futuros que

podem ser retirados de todo o trabalho realizado, e que permitiram a elaboração desta

dissertação.



CAPÍTULO 2

Tecnologias dos Veículos Eléctricos

2.1. Introdução

No decorrer deste capítulo é apresentada a evolução histórica dos veículos

eléctricos, veículos híbridos e veículos a células de combustível, desde o seu início até à

actualidade. São apresentadas algumas das diferentes configurações que os sistemas de

propulsão dos veículos podem ter.

Apresenta-se o tipo de motores mais usados em conversões (retirar o motor de

combustão interna e colocar um ou mais motores eléctricos) e sistemas de propulsão

eléctrica. São apresentados os tipos de sensores de posição que muitos motores

eléctricos necessitam para o seu controlo. São descritos os tipos de elementos

armazenadores de energia, utilizados em veículos de propulsão eléctrica. São ainda

comparados veículos com propulsão eléctrica e veículos com motor de combustão

interna.

Por fim enumeram-se as principais normas que os veículos com propulsão

eléctrica devem respeitar, e o processo de homologação de veículos eléctricos em

Portugal.

2.2. Veículos Eléctricos

Os veículos eléctricos não são recentes, ao contrário do que se possa pensar. Os

primeiros veículos eléctricos aparecem depois de 1830, quando Joseph Henry inventa o

primeiro motor de corrente contínua. Thomas Davenport é tido como construtor do

primeiro veículo eléctrico, em 1834. Em 1847 Moses Farmer construiu um carro

eléctrico de dois passageiros, e em 1851 Charles Page desenvolveu um carro eléctrico

que atingia a velocidade de 32 km/h.

Gaston Plante, em 1859, deu um grande passo para os veículos eléctricos, ao

construir a bateria “recarregável”. Em 1899 Camille Jenatzy captou a atenção do

mundo, com o carro “Jamais Contente” (Figura 2.1), com o qual conseguiu atingir a

velocidade de 106 km/h, e que, equipado com dois motores eléctricos de 12 V, obteve o

recorde de velocidade na altura. Em 1900 foi alcançado o recorde de maior distância

percorrida, por um carro eléctrico com uma única carga de suas baterias, 290 km, pela

empresa BGS Company's Electric Car.

No início do século XX o veículo eléctrico começou a sofrer concorrência por

parte dos veículos com motor de combustão. O veículo eléctrico, a nível tecnológico,

Capítulo 2 – Tecnologias dos Veículos Eléctricos


esteve sempre à frente dos veículos com motor de combustão, mas apresentava o

problema da autonomia, do tempo de carregamento e do preço das baterias. Com o

melhoramento das estradas as deslocações dentro das cidades e entre cidades

começaram a ser maiores, e a pouca autonomia dos carros eléctricos passou a ser um

problema.

Figura 2.1 – Carro eléctrico: Jamais Contente [5].

A invenção da ignição eléctrica por Charles Kettering em 1912 (passou a não ser

necessário “dar à manivela”), e a descoberta de petróleo no Texas, que provocou a

redução do preço da gasolina, foram grandes impulsionadores dos veículos com motor

de combustão interna. Em 1908, Henry Ford iniciou a produção em massa do Ford

modelo T (Figura 2.2), que custava entre 500 e 1000 USD, contribuindo para a

popularização dos veículos de combustão interna. Tudo isto levou praticamente ao

desaparecimento do Veículo Eléctrico por volta da década de 1930.

Figura 2.2 – Carro com motor de combustão interna: Ford Modelo T [6].

Na década de 1970 o veículo eléctrico voltou a ser objecto de estudo, devido à

crise do petróleo. Em 1996 a General Motors lançou o EV1 (Figura 2.3), primeiro

automóvel eléctrico a ser produzido em série. Contudo, em 2001 a maior parte da frota

destes veículos eléctricos foi retirada do mercado, chegando mesmo a acontecer, em

muitos casos, a destruição dos veículos por parte da construtora.




Figura 2.3 – Carro eléctrico: EV1 da General Motors [7].

Em 2003 foi criada a empresa Tesla Motors, que apresentou o modelo Tesla

Roadster em 2006. Este carro, apresentado na Figura 2.4, é capaz de alcançar os 100

km/h em 3,9 s, graças a um motor eléctrico de 250 cv, consegue uma velocidade

máxima de 232 km/h (limitada electronicamente), e possui uma autonomia de 400 km.

Figura 2.4 – Carro eléctrico: Tesla Roadster [8].

Em 2007 ocorreu novamente uma crise do petróleo. Desde então, e até à

actualidade, tem havido um enorme interesse no desenvolvimento de veículos

eléctricos, para dessa forma se reduzir a dependência do petróleo, e também com o

objectivo de diminuir a emissão dos gases de efeito de estufa. Actualmente encontram-

se em desenvolvimento ou em produção vários modelos de veículos eléctricos

[3],[9]-[11].

Portugal é um dos primeiros países a aderir à utilização alargada dos veículos

eléctricos, tendo para tal o governo português estabelecido um acordo com o grupo

Renault-Nissan. O início da comercialização do carro eléctrico Nissan Leaf (Figura 2.5)

está prevista para fins de 2010.



Figura 2.5 – Carro eléctrico: Nissan Leaf [12].

2.2.1. Vantagens e Desvantagens dos Veículos Eléctricos

A seguir são citadas as principais vantagens dos veículos eléctricos:

- Eficiente a qualquer velocidade;

- Emite menos ruído do que um veículo de combustão interna;

- Menor consumo de energia em comparação com o veículo de combustão interna,

uma vez que os motores eléctricos são mais eficientes que os motores de combustão

interna;

- Elevado binário a baixas velocidades;

- Arranques suaves;

- Em algumas configurações dispensam a embraiagem e caixa de velocidades;

- Não emitem gases poluentes;

- Não produzem resíduos de óleo que contaminam as águas;

- Não necessitam trocar óleo e filtros de óleo, de combustível e de ar;

- Não dependem de petróleo importado;

- Permitem travagem regenerativa.

As principais desvantagens dos veículos eléctricos são:

- Autonomia limitada;

- As baterias são caras, contribuindo para os preços elevados dos veículos

eléctricos;

- Podem existir problemas de atropelamento provocados pela ausência de ruído.

Este último problema citado, o da ausência de ruído, devido ao facto do motor

eléctrico ser extremamente silencioso em comparação com o motor de combustão

interna, consiste num problema de fácil solução, uma vez que o aumento da emissão de

ruído audível é bem mais fácil do que reduzi-lo. Uma das soluções passa pela colocação

de colunas a simular o barulho típico de um veículo de combustão interna.




2.2.2. Configurações de Veículos Eléctricos

Existem várias configurações de veículos eléctricos, dependendo do tipo de motor

aplicado, do tipo de tecnologia do sistema de armazenamento de energia e da

localização de ambos no veículo.

Focando apenas na localização do motor no veículo, apresentam-se de seguida

algumas das alternativas possíveis para os veículos eléctricos [13]-[15].

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 2.6 – Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção traseira, onde: M – Motor

eléctrico, E – Embraiagem, CV – Caixa de velocidades, CR – Caixa redutora e D - Diferencial.

A configuração mais simples que pode ser usada, é apresentada na Figura 2.6(a),

onde simplesmente é substituído o motor de combustão interna pelo motor eléctrico

(M), contendo na mesma a embraiagem (E), a caixa de velocidades (CV) e o diferencial

(D). Outra configuração possível é retirar o motor de combustão interna e a

embraiagem, aproveitando-se apenas a caixa de velocidades e o diferencial (Figura 2.6

(b)). Na configuração da Figura 2.6(c), apenas é usado o diferencial acoplado ao motor

eléctrico, de forma a eliminar algumas perdas mecânicas, sendo esta a configuração

utilizada pelo Tesla Roadster (Figura 2.4). Na Figura 2.6(d), os motores eléctricos estão

acoplados a caixas redutoras (CR), que estão ligadas aos eixos de cada roda traseira,

sendo esta configuração utilizada pela Peugeot no modelo BB1 (Figura 2.7).



Figura 2.7 – Carro eléctrico: Peugeot BB1 [16].

Na Figura 2.6(e) os motores eléctricos estão directamente acoplados aos eixos de

cada roda traseira. A configuração utilizada na Figura 2.6(f) é aplicada pela Mitsubishi

no Colt EV (Figura 2.8), sendo uma óptima configuração para a construção de novos

veículos eléctricos, pois os motores encontram-se incorporados nas rodas, sendo

denominados de Motor in-Wheel.

Figura 2.8 – À esquerda o tipo de motor in wheel utilizado no carro eléctrico Mitsubishi ColtEV, à direita

As configurações apresentadas anteriormente são utilizadas em veículos com

tracção traseira. As vantagens da tracção traseira nos veículos eléctricos são

praticamente iguais às dos veículos com o motor de combustão interna, nomeadamente:

uniformidade de desgaste dos pneus, melhor distribuição do peso, menor tendência de

perda de tracção em saídas rápidas e/ou pisos escorregadios. Por outro lado os veículos

de tracção traseira apresentam as seguintes desvantagens: a aceleração em linha recta

apresenta um equilíbrio instável, tem mais perdas mecânicas e para os veículos

convertidos de motores de combustão para motores eléctricos apresentam menor espaço

no interior do veículo [17].

Na Figura 2.9 são apresentados os tipos de configurações para veículos eléctricos

com tracção dianteira.




(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Figura 2.9 - Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção dianteira, onde: M – Motor

eléctrico, E – Embraiagem, CV – Caixa de velocidades, CR – Caixa redutora e D - Diferencial.

As configurações apresentadas na Figura 2.9 para os veículos eléctricos com

tracção dianteira são idênticas às configurações utilizadas nos veículos de tracção

traseira, apenas o sistema de tracção aplicado nas rodas traseiras é agora aplicado às

rodas dianteiras.

Os veículos de tracção dianteira apresentam as seguintes vantagens: menores

perdas mecânicas e aceleração em linha recta com um equilíbrio mais estável. No

entanto apresentam como desvantagens: um maior desgaste nos pneus dianteiros, uma

maior tendência a perder tracção em saídas rápidas e/ou em pisos escorregadios [17].

A Figura 2.10 apresenta as configurações para veículos eléctricos com tracção

integral.



(a) (b)

(c)

Figura 2.10 - Tipos de configurações para veículos eléctricos com tracção integral, onde: M – Motor

eléctrico e CR – Caixa redutora.

A configuração para os veículos com tracção integral mais utilizada é a

apresentada na Figura 2.10(c), sendo usada pela Mitsubishi no modelo Lancer Evolution

MIEV (Figura 2.11).

Figura 2.11 – Carro eléctrico: Mitsubishi Lancer Evolution MIEV [18].

A tracção integral apresenta a vantagem de regular o binário aplicado a cada roda

sem qualquer tipo de transmissão mecânica, reduzindo assim as perdas mecânicas.

2.3. Veículos Híbridos

Tal como os veículos eléctricos, os veículos híbridos não são recentes. O primeiro

modelo de veículo híbrido remonta a 1899, construído pelo alemão Ferdinand Porsche,

e teve o nome de Mixte (Figura 2.12). Este veículo utilizava um motor de combustão

interna, com velocidade constante, acoplado a um dínamo que carregava um banco de

baterias. Os motores eléctricos estavam inseridos nos cubos das rodas dianteiras, sendo

alimentados pelo banco de baterias. Este foi o primeiro veículo a ter tracção dianteira, e

a introdução dos motores nas rodas permitiu retirar os veios de transmissão e as




engrenagens, entre outros, apresentando um rendimento total de 83%.

Figura 2.12 – Carro híbrido: Mixte [19].

Em 1900, a empresa Belga Pieper, apresentou o carro híbrido Voiturette (Figura

2.13). Este carro apresentava uma potência de 3,5 cv, sendo o motor de combustão

interna acoplado a um motor eléctrico colocado debaixo do acento. Quando este carro

andava a velocidade cruzeiro, o motor eléctrico funcionava como gerador, recarregando

as baterias. Quando o carro necessitava de mais binário, o motor eléctrico ajudava o

motor de combustão interna. Tal como ocorreu com os veículos eléctricos também os

veículos híbridos tiveram uma recaída a partir da década de 1920.

Figura 2.13 – Carro híbrido: Voiturette [20].

No ano de 1966, durante um congresso nos Estados Unidos, foi recomendada pela

primeira vez a utilização de veículos eléctricos e híbridos, de forma a reduzir a poluição

atmosférica. Entre 1968 e 1971, três cientistas da empresa TRW, Baruch Berman,

George H. Gelb e Neal A. Richardson, desenvolveram, demonstraram, e patentearam

um sistema de tracção para utilizar nos veículos híbridos, denominado de transmissão

electromecânica. Muitos dos conceitos mecânicos desenvolvidos por estes cientistas

ainda são usados nos modernos veículos híbridos.

Em 1969 a General Motors apresentou o GM512 (Figura 2.14), um Veículo

Híbrido com peso muito baixo, que permitia uma velocidade máxima de apenas

64 km/h. Apresentava três modos de funcionamento: até aos 16 km/h, funcionava

apenas com o motor eléctrico; entre os 16 km/h e os 21 km/h, combinava as duas fontes

de propulsão, motor eléctrico e motor de combustão interna a gás de dois cilindros; e



acima dos 21 km/h, funcionava apenas com o motor de combustão interna.

Figura 2.14 – Carro híbrido: GM512 [21].

A crise do petróleo de 1973, tal como nos veículos eléctricos, provocou também

um aumento do interesse pelos veículos híbridos. O Departamento de Energia dos

Estados Unidos realizou vários testes a veículos eléctricos e híbridos de várias empresas

construtoras, incluindo o bem conhecido táxi da Volkswagen.

Em 1993, o governo de presidente Bill Clinton dos Estados Unidos, anunciou uma

parceria com as construtoras Norte-Americanas para o desenvolvimento de uma nova

geração de veículos híbridos e eléctricos. Por outro lado, no mercado japonês, a Toyota

lançou a primeira geração do Prius, em 1997 (Figura 2.15), e chegou quase às 18 mil

unidades vendidas no primeiro ano. Nesse mesmo ano, a Audi tornou-se no primeiro

fabricante europeu a ter um Veículo Híbrido com produção em massa, o Audi Duo III

(Figura 2.16), baseado no Audi A4. O Audi Duo III foi um fracasso de vendas, tendo

apenas vendido 60 unidades. Isto levou os fabricantes europeus de automóveis a

centrarem-se na investigação e desenvolvimento do aperfeiçoamento dos motores de

combustão interna a diesel.

Figura 2.15 - Primeira geração do carro híbrido Toyota Prius [22].




Figura 2.16 – Carro híbrido: Audi Duo III [23].

A Honda, em 1999, lançou a primeira geração do Insight (Figura 2.17).

Posteriormente, em 2002, foi lançado o Civic Hybrid, segundo modelo de Veículo

Híbrido da Honda.

Figura 2.17 – Primeira geração do carro híbrido Honda Insight [24].

Tal ocorre como os veículos eléctricos, encontram-se em desenvolvimento e

produção vários modelos de veículos híbridos. A título de exemplo, actualmente a

Toyota está na terceira geração do Prius (Figura 2.23) e a Honda na segunda geração do

Insight (Figura 2.21).

Os veículos híbridos inicialmente foram classificados em dois tipos: série e

paralelo. Actualmente, com a introdução de alguns novos tipos de veículos híbridos,

esta classificação passa a ser de três tipos: série, paralelo e série-paralelo. Nos itens

seguintes são apresentadas breves descrições de cada um desses tipos

[3],[9],[11],[15],[25]-[28].

2.3.1. Veículo Híbrido do tipo Série

O sistema híbrido série é composto por um motor de combustão, por um gerador

eléctrico e por um motor eléctrico (Figura 2.18). O motor de combustão interna está

acoplado ao eixo do gerador, que pode carregar as baterias ou fornecer directamente a

energia produzida ao motor eléctrico, que por sua vez acciona o eixo das rodas. Nesta

configuração, não existe qualquer tipo de ligação mecânica entre o motor de combustão

interna e as rodas, pelo que este tipo de configuração tem uma baixa eficiência. Contudo

a localização do grupo gerador (motor de combustão acoplado ao gerador eléctrico) é



bastante flexível em relação aos veículos convencionais. Um exemplo deste tipo de

configuração é o Chevrolet Volt, apresentado na Figura 2.19.

Figura 2.18 – Esquema do sistema série dos Veículos Híbridos.

Outra desvantagem deste tipo de configuração é a utilização do gerador eléctrico

acoplado ao motor de combustão, uma vez que o gerador é dimensionado de forma a

fornecer a potência nominal necessária para mover o veículo, aumentando

consideravelmente o preço final do mesmo. Por outro lado, permite ao motor de

combustão estar a operar em regime permanente.

Figura 2.19 – Carro híbrido: Chevrolet Volt [29].

Esta configuração, permite ao veículo híbrido o funcionamento em seis modos

diferentes, descritos abaixo:

1. O veículo funciona como veículo eléctrico, o motor de combustão encontra-se

desligado, sendo as baterias o único elemento fornecedor de energia para colocar a

funcionar o motor eléctrico;

2. O grupo motor de combustão-gerador eléctrico fornece energia directamente ao

motor eléctrico;

3. Modo combinado, onde a energia para o motor eléctrico é fornecida pelo grupo

motor de combustão-gerador e pelas baterias;

4. O grupo motor de combustão-gerador fornece energia para o motor eléctrico, e

simultaneamente carrega as baterias;

5. O grupo motor de combustão-gerador funciona apenas como carregador das




baterias;

6. Modo de travagem regenerativa, em que o motor eléctrico funciona como

gerador, recuperando a energia cinética de travagem do veículo, para carregar as

baterias.

2.3.2. Veículo Híbrido do tipo Paralelo

Na configuração paralela (Figura 2.20) existe a possibilidade do motor de

combustão interna e o motor eléctrico fornecerem potência mecânica em paralelo ao

eixo das rodas, permitindo a redução das emissões e do consumo de combustível, uma

vez que o motor de combustão interna e o motor eléctrico são acoplados ao eixo das

rodas através de duas embraiagens. Assim, permite-se que a potência mecânica

fornecida às rodas possa vir apenas do motor de combustão interna, apenas do motor

eléctrico, ou de ambos.

Figura 2.20 - Esquema do sistema paralelo dos veículos híbridos.

O motor eléctrico pode ser usado como gerador durante a travagem regenerativa,

ou quando a produção de potência mecânica pelo motor de combustão interna é superior

à necessária para movimentar o veículo.

O sistema paralelo apresenta de imediato duas vantagens em relação ao sistema

série: apenas necessita de um motor de combustão interna e de um motor eléctrico; o

motor de combustão interna e o motor eléctrico podem ser de potência inferior, aos da

configuração série para se obter o mesmo desempenho.

Um exemplo de um veículo com configuração paralela é o Honda Insight

(Figura 2.21) [3],[9],[11],[15],[26],[27].



Figura 2.21 – Carro híbrido: Honda Insight, segunda geração [30].

Esta configuração, permite ao veículo o funcionamento em seis modos diferentes,

descritos abaixo:

1.O veículo funciona como Veículo Eléctrico, o motor de combustão encontra-se

desligado, sendo a propulsão do veículo dada pelo motor eléctrico, que é alimentado

pelas baterias;

2. Apenas o motor de combustão é usado para transferir potência mecânica ao

eixo das rodas;

3. Modo combinado, a potência mecânica é transferida ao eixo das rodas pelo

motor de combustão e pelo motor eléctrico;

4. O motor de combustão interna fornece simultaneamente potência mecânica ao

eixo das rodas e ao motor eléctrico, que funciona como gerador, para carregar as

baterias;

5. O motor de combustão interna apenas fornece potência mecânica ao motor

eléctrico, que funciona como gerador, para carregar as baterias (neste modo não é

fornecida potência mecânica ao eixo das rodas do veículo);

6. Modo travagem regenerativa, em que o motor eléctrico funciona como gerador

recuperando a energia cinética de travagem do veículo, para carregar as baterias.

2.3.3. Veículo Híbrido do tipo Série-Paralelo

O sistema série-paralelo (Figura 2.22) herda características dos sistemas série e

paralelo, ou seja, em relação ao sistema série existe mais uma ligação mecânica entre o

motor de combustão interna e o eixo das rodas, enquanto que, comparado com o sistema

paralelo, surge um gerador eléctrico adicional. Este sistema apresenta vantagens de

ambos os sistemas série e paralelo, enquanto os modos de operação são obtidos a partir

da interpolação dos sistemas série e paralelo.

O sistema série-paralelo, quando comparado com os outros sistemas, é mais

complicado. Contudo, os avanços tecnológicos na área do controlo têm permitido tornar

o sistema de fácil implementação. Algumas construtoras têm optado por este tipo de

sistema, como por exemplo a Toyota, com o carro híbrido Prius (Figura 2.23)

[3],[9],[11],[15],[26],[27].




Figura 2.22 - Esquema do sistema série-paralelo dos veículos híbridos.

Figura 2.23 – Terceira geração do carro híbrido Toyota Prius [31].

2.3.4. Vantagens e Desvantagens dos Veículos Híbridos

As vantagens que se realçam nos veículos híbridos são:

- Economia de 30% a 50% no consumo de combustível, em relação a um veículo

de combustão interna convencional;

- Redução na emissão de gases poluentes para a atmosfera;

- Flexibilidade de usar combustíveis a base de petróleo ou alternativos;


- Arranques suaves;

- Em algumas configurações dispensam a embraiagem e a caixa de velocidades;

- Redução do ruído audível;

- Permitem travagem regenerativa;

- Maior autonomia de que um veículo eléctrico ou mesmo do que um veículo de

combustão convencional;

- Não é necessário colocar as baterias a carregar através de uma tomada.

Os inconvenientes que se destacam em relação aos veículos híbridos são:

- Baterias caras, e que apresentam pouca autonomia;

- Alguns dos veículos híbridos disponíveis ainda apresentam um preço de

aquisição bastante elevado.



2.4. Veículos a Células de Combustível

A primeira célula de combustível foi desenvolvida por William Grove, em 1839, e

inicialmente não teve sucesso. Em 1932, foi desenvolvida uma célula de combustível de

electrólito alcalino, por Francis Bacon. Em 1950, a célula de combustível começou a ser

utilizada no programa espacial Apollo, dos Estados Unidos, pois apresentava-se como a

melhor escolha para a produção de energia eléctrica, uma vez que a energia nuclear era

perigosa, os painéis solares eram demasiado grandes e as baterias demasiadas pesadas.

A célula de combustível utiliza a combinação entre dois gases, oxigénio e

hidrogénio, para produção de energia eléctrica, calor e água. Tipicamente, a célula de

combustível tem uma tensão de saída entre os 0,7 V e 0,8 V e uma potência da ordem

dos 100 W. As células são montadas em módulos, também chamados de stacks, ligadas

electricamente em série e paralelo, de forma a aumentar a potência de saída.

Existem vários modelos de células de combustível, classificados de forma geral

em função do tipo de electrólito que utilizam, mas também podem ser classificados em

função da temperatura de operação. A indústria automóvel tem dado especial atenção às

de membrana de polímero electrolítico [3],[9].

Iões de hidrogénio

Figura 2.24 - Célula de combustível com membrana de polímero electrolítico [32].

As reacções químicas que ocorrem, nas células de combustível com membrana de

polímero electrolítico, são as seguintes:

2 2 2Anodo H H e (2.1)

12 2 22 2Cátodo O H e H O (2.2)

122 2 2reacção total na célula H O H O (2.3)

A célula de combustível apresenta as seguintes vantagens: construção simples e




robusta, possibilidade de operar a baixas temperaturas, ausência de ruído audível, rápida

colocação em funcionamento. Em contrapartida, têm um custo elevado. Os veículos a

células de combustível podem ser considerados como veículo híbrido do tipo série, uma

vez que a célula de combustível se encontra em série no percurso da energia até chegar

ao motor eléctrico, como se pode ver no sistema apresentado na Figura 2.25.

Figura 2.25 - Esquema do sistema composto pela célula de combustível.

O primeiro veículo a células de combustível foi desenvolvido pela General

Motors em 1967. Era um veículo de seis passageiros, chamado de Electrovan

(Figura 2.26), sendo utilizado exclusivamente na propriedade da General Motors, por

questões de segurança.

Figura 2.26 – Carro a células de combustível: Electrovan da General Motors [33].

Nos últimos anos, as células de combustível tem sido alvo de grande investigação

por parte das empresas construtoras de veículos, pelas razões e vantagens apresentadas,

quer para os veículos eléctricos, quer para os veículos híbridos. Um exemplo desse

desenvolvimento é o Honda FCX Clarity, representado na Figura 2.27 [3],[34].

Figura 2.27 - Carro a células de combustível Honda FCX Clarity [35].



2.4.1. Vantagens e Desvantagens dos Veículos a Células de Combustível

As vantagens que se realçam nos veículos a células de combustível são:

- Poluição local nula;


- Arranques suaves;

- Redução do ruído;

- Permitem travagem regenerativa;

- Menores custos de manutenção.

Os inconvenientes que se destacam são:

- Preços elevados;

- Necessidade de produção de hidrogénio;

- Dificuldades no armazenamento do hidrogénio;

- Dificuldades na distribuição do hidrogénio.

2.5. Motores Eléctricos

Existe uma vasta gama de motores eléctricos que podem ser utilizados nos

sistemas de propulsão eléctrica, contudo nem todos os motores eléctricos apresentam

um bom desempenho para serem aplicados a um sistema de propulsão eléctrica. Ao

longo dos últimos anos, têm sido quatro os tipos de motores que mais se realçam na

aplicação a sistemas de propulsão eléctrica e nas conversões (substituição do motor de

combustão por motor eléctrico), sendo eles: o motor de corrente contínua; o motor de

indução; o motor síncrono de ímanes permanentes; e o motor de relutância

(Figura 2.28).

Figura 2.28 – Tipos de motores eléctricos mais usados nos veículos eléctricos [36].

Como referido anteriormente, nem todos os motores têm um bom desempenho

quando aplicados a um sistema de propulsão eléctrica, ou seja, os motores necessitam




de ter boas características em alguns requisitos típicos de tracção, nomeadamente

[36][37]:

- Alta densidade de binário e potência;

- Binário elevado a baixa velocidade e potência alta para a velocidade nominal;

- Ampla faixa de velocidade a potência constante;

- Alta eficiência nas travagens;

- Alta fiabilidade e robustez;

- Baixo ruído durante o funcionamento;

- Custo aceitável.

Nos próximos itens é dada uma breve explicação sobre cada um dos quatro tipos

de motores mais usados nos sistemas de propulsão eléctrica.

2.5.1. Motores de Corrente Contínua

Os motores de corrente contínua (DC – Direct Current) já tiveram grande

destaque nos sistemas de propulsão eléctrica. Pela capacidade de produzir elevado

binário a baixas velocidades, apresentam uma curva binário/velocidade adequada às

aplicações de tracção. São uma tecnologia madura com um controlo simples. Para

alterar a velocidade de funcionamento do motor DC, apenas é necessário controlar a

tensão aplicada ao motor.

No entanto, os motores DC são de construção volumosa, baixa eficiência, baixa

fiabilidade e maior manutenção, principalmente pela presença dos anéis comutadores e

das escovas. Além disso, atrito existente entre os anéis comutadores e as escovas, bem

como o facto de possuírem enrolamentos no rotor, limita a velocidade máxima com que

o motor DC pode operar.

Os motores DC podem ter, dois, quatro ou seis pólos, dependendo da potência e

tensão. Existem três tipos de motores DC, dependendo da configuração do enrolamento

de campo: série, shunt ou de excitação separada. Os motores DC do tipo shunt têm

melhor controlabilidade que os motores DC série. Os de excitação separada são

adequados para operar com enfraquecimento de campo, devido às características de

binário dissociado e controlo de fluxo. Por outro lado, têm uma ampla faixa de potência

constante.

Ao substituir o enrolamento de campo dos motores DC por ímanes permanentes,

verifica-se uma redução considerável do diâmetro do estator, devido a um mais eficiente

uso do espaço radial. Devido à baixa permeabilidade dos ímanes permanentes, a reacção

da armadura geralmente é reduzida, e a comutação melhorada [11],[13],[37]-[41].

Na Figura 2.29 é apresentado o primeiro veículo eléctrico em produção, em

Portugal, o FUTI da empresa FUTI, equipado com um motor DC.



Figura 2.29 – Carro eléctrico com motor DC, FUTI [42].

2.5.2. Motores de Indução

Os motores de indução (IM - Induction Motor) são amplamente usados nos

sistemas de propulsão eléctrica. Apresentam uma construção simples e baixo custo, são

fiáveis e robustos, podem de trabalhar em ambientes hostis, e praticamente ausência de

manutenção.

A não utilização de anéis comutadores ou de enrolamentos no rotor permite que

os motores de indução do tipo gaiola de esquilo, possam funcionar acima da velocidade

nominal.

O controlo convencional dos motores de indução, como o de tensão e frequência

variáveis, não garante o desempenho desejado para os sistemas de tracção, sendo o

principal motivo disso a não linearidade do modelo do motor de indução. Contudo o

desempenho pretendido para os sistemas de tracção pode ser obtido a partir de outros

controlos, como por exemplo, o controlo orientado ao enfraquecimento de campo (FOC

- Field Orientated Control). Contudo, o custo deste tipo de sistema de controlo é

superior ao utilizado para os motores de corrente contínua [11],[37],[38],[41].

2.5.3. Motor Síncrono de Ímanes Permanentes

O motor síncrono de ímanes permanentes (PMSM - Permanent Magnet

Synchronous Motor) deriva do motor síncrono, ao substituir o enrolamento de campo

por ímanes permanentes. O motor síncrono de ímanes permanentes, também é chamado

de Permanent Magnet Brushless AC motor (PMBLAC), sinusoidal-fed Permanent

Magnet Brushless motor, Brushless AC motor (BLAC) ou Brushless Direct Current

(BLDC).

Este tipo de motor tem a vantagem de apresentar elevado binário a baixas

velocidades, bem como uma elevada densidade de potência e eficiência. A eliminação

dos anéis comutadores permite um peso total e volume reduzidos, elimina as perdas do

rotor e proporciona uma maior eficiência na dissipação do calor para o meio ambiente

[11],[37],[38],[41].

Existem dois tipos de classificação do motor síncrono de ímanes permanentes,




pela posição dos ímanes no rotor e pela forma de onda da força contra-electromotriz

gerada. Quanto ao posicionamento dos ímanes no rotor, o motor síncrono de ímanes

permanentes pode ser de dois tipos: com os ímanes montados no interior do rotor e com

os ímanes montados na superfície do rotor [43] (Figura 2.30).

Figura 2.30 – Exemplo da colocação dos ímanes permanentes no rotor: ímanes superficiais (esquerda) e

ímanes interiores (direita) [43].

Quanto à forma de onda da força contra-electromotriz, o motor síncrono de

ímanes permanentes pode ser de dois tipos: sinusoidal, mais conhecido por PMSM e

trapezoidal, mais conhecidos por BLDC [43],[44] (Figura 2.31).

ei

ei

Figura 2.31 – Formas de onda da força contra-electromotriz (e) e da corrente de alimentação (i): PMSM

(esquerda) e BLDC (direita)

2.5.4. Motor de Relutância

Embora o princípio do motor de relutância (SRM - Switched Reluctance Motor)

seja conhecido há mais de um século, ultimamente tem ganho muito interesse, por ter

grande potencial para aplicações nos sistemas de propulsão eléctrica.

Basicamente, o motor de relutância é uma derivação directa do motor de passo de

relutância variável. Tem a vantagem de apresentar uma construção simples e robusta,

baixo custo, tolerância a falhas, elevado binário a baixas velocidades, controlo simples e

característica binário/velocidade excelente para aplicações nos sistemas de propulsão

eléctrica. A estrutura do rotor é extremamente simples, não possui enrolamentos, nem

ímanes, nem anéis comutadores ou escovas.

O motor de relutância tem uma ampla gama de velocidade, sendo adequado para

sistemas de propulsão eléctrica, pois permite que não se utilizem engrenagens entre o

motor e o eixo da roda. O aumento da gama de velocidade, que pode atingir valores 2 a

Ímanes Permanentes



3 vezes superiores à velocidade nominal, é obtido a partir da utilização de sistemas de

controlos adequados.

Por outro lado, o motor de relutância apresenta como desvantagens: ripple no

binário; ruído acústico; necessidade de uma topologia especial para o conversor

electrónico; produção de interferências electromagnéticas. Em alguns casos é necessário

saber a posição do rotor de forma que o motor possa ser controlado adequadamente

[11],[37],[38],[40],[41].

2.5.5. Comparação entre os Motores Apresentados

A Tabela 1 compara os quatro tipos de motores anteriormente descritos, com

relação às principais características de selecção do tipo de motor a usar. A cada

característica é atribuído um valor entre 1 e 5, onde 1 corresponde a “fraco” e 5 a “bom”

[38].

Tabela 1 – Avaliação dos motores para veículos eléctricos.

Motor de

Corrente

Contínua

Motor de Indução

Motor Sincrono

de Ímanes

Permanentes

Motor de

Relutância

Densidade de

Potência 2,5 3,5 5 3,5

Eficiência 2,5 3,5 5 3,5

Controlabilidade 5 5 4 3

Fiabilidade 3 5 4 5

Maturidade da

Tecnologia 5 5 4 4

Custo 4 5 3 4

Total 22 27 25 23

Pela soma total dos valores dados às características acima apresentadas, o motor

de indução mostra-se como o candidato mais adequado para os sistemas de propulsão

eléctrica. Contudo, analisando individualmente cada característica, o motor de indução

não é o melhor de cada uma. A nível de eficiência, o motor síncrono de ímanes

permanentes apresenta vantagem sobre os outros motores comparados, de seguida

aparece o motor de indução, depois o de relutância, e por fim o menos eficiente, o motor

de corrente contínua.




Em alguns casos a escolha do motor deve ser ponderada de acordo com o tipo de

aplicação. Por exemplo, nos veículos de combate, as características importantes são:

fiabilidade e maturidade tecnológica, apresentando menos importância a eficiência

[13],[37],[38],[45].

Contudo, quando se pretende ter uma aplicação de baixo custo, os tradicionais

motores de corrente contínua continuam a ter uma enorme aplicação, não só nas

conversões (de veículos de combustão interna em eléctricos), mas também em novos

veículos eléctricos, como por exemplo o FUTI, apresentado na Figura 2.29.

2.6. Sensores de Posição

Para a maior parte dos sistemas de controlo é necessário saber a posição

instantânea do rotor do motor eléctrico. São quatro os principais tipos de sensores de

posição que podem ser utilizados: sensor óptico, resolver, potenciómetro e LVDT

(Linear Variable Differential Transformer). O sensor óptico e o resolver são os sensores

que mais se aplicam no controlo de motores. De seguida são apresentados os sensores

ópticos, resolver e OnAxis [46].

2.6.1. Sensor Óptico

O sensor óptico é o tipo de sensor mais utilizado, devido ao facto de apresentar

uma alta resolução, com interface digital, não conter contactos mecânicos e ter alta

repetibilidade. Em contrapartida, é frágil, necessita de circuitos de interface e é caro.

O sensor óptico consiste num disco com sectores transparentes e opacos, montado

no eixo de rotação. Possui uma fonte de luz e um fotodetector (Figura 2.32). Quando a

luz é interrompida pelo sector opaco, o sensor produz um pulso digital na saída.

Existem dois tipos de sensores ópticos: o incremental e o absoluto. De seguida

passam-se à descrição de cada um.

Emissor de luz

Detector

Disco rotativo

Trilha de código

Rotor

Figura 2.32 – Sensor óptico [47].

Sensor Óptico Incremental

O sensor óptico incremental tem uma boa precisão e é fácil de implementar.

Apresenta a grande desvantagem de não fornecer a posição quando o motor está parado.



O tipo de sensor óptimo incremental mais comum usa dois canais de saída com sensores

ópticos de leitura desfasados de 90º. Devido a este desfasamento o sensor fornece não

só a posição mas também o sentido de rotação. Este tipo de sensor também é chamado

de sensor em quadratura.

Como se pode observar na Figura 2.33, se o sinal A aparecer primeiro que o sinal

B, o motor está a rodar para a direita, enquanto que se for o sinal B a aparecer primeiro

e só depois o sinal A, o motor está a rodar para a esquerda.

1 Ciclo

90º

Contador sem detecção da quadratura

Contador com detecção da quadratura

Figura 2.33 – Sensor óptico em quadratura [48].

A maior parte deste tipo de sensores possui ainda uma terceira saída, chamada

“zero” ou “índice de sinal de referência”. No fim de cada volta esta saída fornece um

pulso, sendo este utilizado para uma maior precisão da posição de referência [46].

Sensor Óptico Absoluto

No sensor óptico a resolução depende do seu número de bits, sendo tão melhor a

resolução quanto maior for o número de bits, este sensor não apresenta o problema de

perder a posição onde se encontra quando o motor está parado.

A Figura 2.34 apresenta um sensor óptico absoluto de 8 bits, que corresponde ao

número de camadas de transparente e opaco a partir do centro para a periferia do disco.

Disco rotativo de 8 bits

Emissor de luz

Disco rotativoSaída

Fotodetectores

Figura 2.34 – Sensor óptico absoluto [48].




2.6.2. Resolver

O sensor resolver (ou transformador rotativo) trabalha com base no princípio do

transformador, como se pode verificar na Figura 2.35.

Useno

Rotor Ucoseno

Uref

Figura 2.35 – Sensor resolver [49].

No sensor resolver a frequência das tensões induzidas é idêntica à da tensão de

referência (Uref), e as amplitudes dessas tensões variam de acordo com o seno e coseno

do ângulo do eixo, como se pode verificar na Figura 2.36. Para calcular o ângulo ( )

utiliza-se a função inversa da tangente do quociente entre o valor Useno com o valor de

Ucoseno, como se pode ver na expressão 2.4 [46].

cos

tan seno

eno

Uarc

U (2.4)

Tensão de saída em seno

Tensão de saída em coseno

Tensão de referência

Figura 2.36 – Formas de onda da tensão de referência e das tensões de saída do sensor resolver [49].

Os sensores do tipo resolver apresentam a vantagem de serem resistentes ao

choque, vibração, radiação nuclear e distúrbios eléctricos; toleram a sujeira e poeira; são

baratos e possuem uma longa vida. Por outro lado apresentam o inconveniente de



necessitarem de uma interface electrónica, uma vez que possuem saída analógica e

terem limitações na gama de velocidade medida.

2.6.3. Sensor OnAxis

O sensor OnAxis (Figura 2.37) é uma tecnologia recente, em expansão, utilizado

em várias aplicações de forma a proporcionar confiança na posição e velocidade do eixo

onde está aplicado.

Figura 2.37 – Sensor OnAxis [50].

A não existência de contactos entre o veio de medição e o sensor torna o sensor

OnAxis num sistema de baixo custo, tanto em preço como em fiabilidade. Resolução e

precisão são da ordem das décimas de grau, sendo suficiente em muitas aplicações.

O sensor OnAxis consiste num chip que internamente contém um array de

posições, com um cilindro exterior, magneticamente polarizado. Quando o cilindro roda

o chip recebe a variação da densidade de fluxo magnético e produz a informação sobre a

posição do eixo.

A maior parte dos sensores, independentemente do princípio de funcionamento,

inicialmente trabalham a partir dos sinais seno e coseno. Os codificadores ópticos

podem produzir até vários milhares de sinais sinusoidais por volta, enquanto os sensores

OnAxis com sensor Hall produzem apenas um sinal sinusoidal por volta.

O valor da posição é calculado da mesma forma que nos sensores do tipo resolver

(expressão 2.4). Existem dois tipos de sensores magnéticos que se podem usar no sensor

OnAxis: magnético resistivo e Hall.

O sensor magnético resistivo fornece dois períodos por volta, só é sensível à

componente paralela da densidade do fluxo magnético, não tem sensibilidade magnética

bipolar, não é linear, tem histerese eléctrica e é sensível aos campos magnéticos.

O sensor Hall apresenta um único período por volta, só é sensível à componente

perpendicular da densidade do fluxo magnético, tem boa sensibilidade magnética

bipolar, tem uma resposta linear da densidade do fluxo magnético, não tem histerese

eléctrica, e tem leitura diferencial dos sensores.

O mais usado destes dois tipos de sensores é o sensor Hall, pois apresenta a




vantagem de fornecer a posição absoluta.

O array interno de posições e formado por sensores que estão dispostos em

círculo com ângulos iguais entre eles, no mínimo devem ser usados quatro sensores ou

múltiplos de quatro. Os sensores são distribuídos pelos quatro quadrantes, onde em cada

quadrante existe o mesmo número de sensores. Em cada quadrante é produzido um sinal

S1, S2, S3, S4, como se pode observar na Figura 2.38

Figura 2.38 – Array do sensor Hall com oito sensores.

O raio do círculo tem de estar dentro da gama de valores do raio do campo

magnético produzido pelo cilindro exterior. Os quatro sinais encontram-se deslocados

de 90º entre eles, com a soma adequada dos mesmos é possível produzir os sinais seno e

coseno a partir das seguintes equações [51]:

1 2 3 4seno S S S S (2.5)

1 2 3 4coseno S S S S (2.6)

Deve-se ter especial atenção a resolução deste tipo de sensores, uma vez que

depende da velocidade máxima de rotação, como se pode ver na Tabela 2 (com base no

sensor RMB28SC da RLS).

Tabela 2 – Características do sensor OnAxis RMB28SC da RLS [50].

Opções de Resolução Velocidade Máxima

(rpm) Precisão Histerese

128,256 60000 ±0,7o

0,45o

320,400,500,512 30000 ±0,7o 0,18

o

800,1000,1024 20000 ±0,5o 0,18

o

1600,2000,2048 10000 ±0,5o 0,18

o

4096 5000 ±0,5o 0,18

o

8192 2500 ±0,5o 0,18

o

O sensor OnAxis apresenta várias saídas, como por exemplo, SSI (Absolute binary

synchro-serial), incremental, seno/coseno e de tensão linear. As seguintes figuras

apresentam a evolução temporal destas saídas.



Figura 2.39 – Saída em SSI [50].

Figura 2.40 – Saída em incremental (esquerda), saída em seno/coseno (direita) [50].

Figura 2.41 – Saída em tensão linear [50].

As principais vantagens dos sensores OnAxis são:

- Gama de operação de temperatura entre os -40º C a 125º C;

- Velocidades de funcionamento altas, pode ir até as 60000 rpm;

- A não existência de contactos proporciona um design robusto;

- Design compacto de baixo perfil;

- Resoluções até 13 bits;

- Baixo custo;º

- Posição absoluta.

2.7. Elementos Armazenadores de Energia

O armazenamento de energia é uma das peças fundamentais nos sistemas dos

veículos eléctricos. O armazenamento pode ser feito por baterias, volante de inércia e

ultracondensadores. Nos próximos itens é dada uma pequena explicação sobre cada uma

destas formas de armazenamento de energia.




2.7.1. Baterias

As baterias são o tipo de elemento armazenador de energia eléctrica que

funcionam por reacção electroquímica no seu interior.

Existem várias regras a respeitar na colocação das baterias nos veículos eléctricos,

tais como: uma distribuição equilibrada do peso no veículo eléctrico; terminais de saída

o mais próximos possível do controlador do motor; boa acessibilidade; protecção contra

derrames, temperatura ambiente e vibrações. Estas regras podem variar de veículo para

veículo [52].

Existem vários tipos de baterias para os sistemas de propulsão eléctrica. Os

principais tipos são:

- Chumbo;

- Níquel-Cádmio;

- Níquel-Hidreto-Metálico;

- Lítio-Polímero;

- Lítio Fosfato de Ferro;

- Enxofre de Sódio;

- Zinco-Ar.

São cinco os tipos de baterias que mais se aplicam aos sistemas de propulsão

eléctrica. As de Chumbo, Níquel-Cádmio, Níquel-Hidreto-Metálico, Lítio-Polímero e

Lítio Fosfato de Ferro. Os itens seguintes explicam a tecnologia de cada tipo destas

baterias.

Baterias de Chumbo

A bateria de Chumbo (Pb) tem sido utilizada há mais de um século e continua a

ser ainda largamente usada nos veículos. Os materiais usados para a sua construção

(chumbo, óxido de chumbo e ácido sulfúrico) são de baixo custo em comparação com

as tecnologias concorrentes. A reacção química global de uma bateria de Chumbo é a

seguinte:

2 2 4 4 22 2 2Pb PbO H SO PbSO H O (2.7)

Como vantagens das baterias de chumbo temos: baixo custo, tecnologia madura e

alta capacidade de armazenamento. Estas são vantagens atraentes para a utilização em

veículos eléctricos.

Por outro lado, as baterias de chumbo apresentam como desvantagem a baixa

densidade energética, principalmente devido ao elevado peso molecular de chumbo. De

referir também a redução da capacidade de armazenamento para temperaturas inferiores

a 10ºC, inviabilizando a sua aplicação em veículos que circulem em climas frios.

A presença nas baterias de chumbo do ácido sulfúrico, que é altamente corrosivo,



é um perigo para a segurança dos ocupantes do veículo. A fim de proporcionar um bom

nível de protecção contra derrames, as baterias são seladas. Mesmo assim esta solução

ainda pode trazer problemas, nomeadamente no caso de baterias inchadas e deformadas

devido à acumulação de pressão no seu interior. O hidrogénio libertado é um potencial

perigo, já que mesmo em pequenas quantidades é extremamente inflamável. No fim da

sua vida útil estas baterias tornam-se num problema ambiental se não forem recicladas,

uma vez que o chumbo dos eléctrodos é tóxico [3],[11].

Baterias de Níquel-Cádmio

A bateria de Níquel-Cádmio (NiCd) foi considerada uma concorrente da bateria

de Chumbo na aplicação em veículos eléctricos, visto que apresenta quase o dobro da

densidade de energia em relação às de Chumbo.

São usados os mesmos eléctrodos positivos e electrólito que nas baterias de

Níquel-Ferro, combinados com cádmio metálico nos eléctrodos negativos. A reacção

química global de uma bateria de Níquel-Cádmio é a seguinte:

2 2 22 2 ( ) 2 ( )Cd NiOOH H O Cd OH Ni OH (2.8)

A tecnologia da bateria de Níquel-Cádmio é muitas vezes preferida pelas

vantagens que apresenta: elevada densidade de potência (acima de 220 W/kg); longa

vida útil (até aos 2000 ciclos); alta tolerância eléctrica; tolerância à má utilização

mecânica; pequena queda de tensão mesmo para corrente de descarga elevada; rápida

capacidade de carga (passa dos 40% para 80% em 18 minutos); operação entre os -40ºC

e 80ºC; baixa taxa de auto-descarga (inferior a 0.5% ao dia); boa para o armazenamento

a longo prazo, devido à corrosão desprezável e a ampla variedade de tamanhos.

A bateria de Níquel-Cádmio apresenta as desvantagens do elevado custo inicial,

da baixa tensão por célula, da elevada toxicidade, do efeito memória e dos prejuízos

para o ambiente devido ao cádmio [3],[11].

Baterias de Níquel-Hidreto-Metálico

A bateria de Níquel-Hidreto-Metálico (NiMh) é a mais recente tecnologia de

baterias à base de Níquel. Apresenta características semelhantes às das baterias de

Níquel-Cádmio, diferindo no uso do hidrogénio absorvido pelo hidreto metálico, para o

material activo do eléctrodo negativo, em vez do cádmio utilizado nas baterias de

Níquel-Cádmio.

Devido à sua elevada capacidade de armazenamento, possui uma maior densidade

de energia em relação à bateria de Níquel-Cádmio, e devido à ausência de toxicidade, a

bateria de Níquel-Hidreto-Metálico é a substituta natural da bateria Níquel-Cádmio.

A reacção química global de uma bateria de Níquel-Hidreto-Metálico é a seguinte:

2( )MH NiOOH M Ni OH (2.9)




Actualmente, uma célula de Níquel-Hidreto-Metálico tem uma tensão nominal de

1,2 V, podendo chegar a ter uma densidade de energia de 65 Wh/kg, e uma densidade

de potência de 200 W/kg. O elemento base da bateria de Níquel-Hidreto-Metálico é a

liga metálica que armazena o hidrogénio, tendo sido formulada para manter o

hidrogénio estável durante o maior número de ciclos possível. No entanto ainda

apresenta a desvantagem do custo inicial elevado. Além disso, neste tipo de baterias

pode ocorrer o “efeito de memória”, e libertar calor durante a carga.

A liga metálica mais usada nesta tecnologia pode ser de dois tipos: AB5 e AB2. A

liga AB2 apresenta maior capacidade energética que a liga AB5. Contudo a tendência é

utilizar a liga AB5, pois apresenta maior retenção de carga e maior estabilidade [3],[11].

Este tipo de baterias é utilizado no Toyota RAV4 EV, apresentado na Figura 2.42.

Figura 2.42 – Carro eléctrico com baterias de Níquel-Hidreto-Metálico: Toyota RAV4 EV [53].

Baterias de Lítio-Polímero

A bateria de Lítio-Polímero (LiPo) surgiu como resultado de pesquisas realizadas

na década de 70 sobre a condução iónica dos electrolíticos em estado sólido. Utiliza o

metal lítio como eléctrodo negativo e o óxido de metal como eléctrodo positivo.

A reacção química global de uma bateria de Lítio-Polímero é a seguinte:

y z x y zxLi M O Li M O (2.10)

O lítio sólido presente no eléctrodo negativo é a causa dos maiores problemas das

baterias de Lítio-Polímero, devido aos problemas de segurança apresentado, e em

alguns casos devido à diminuição do desempenho.

Estes problemas têm sido ultrapassados pelas baterias de Lítio Fosfato de Ferro.

No entanto, ainda existem construtoras a apostar na tecnologia de Lítio-Polímero, como

é o caso da Hyundai com o modelo Elantra LPI, apresentado na Figura 2.43 [3],[11].



Figura 2.43 – Carro híbrido com baterias de Lítio-Polímero: Hyundai Elantra LPI [54].

Baterias de Lítio Fosfato de Ferro

A bateria de Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO4) (Figura 2.44) foi desenvolvida por

um grupo de investigação da Universidade do Texas em 1996. Apresenta boas

características de segurança, densidade de energia de 150 Wh/kg, vida útil de até 2000

ciclos, é leve, tem baixa taxa de auto-descarga, não tem “efeito de memória” e possui

alto rendimento. Estas vantagens fazem com que a bateria de Lítio Fosfato de Ferro seja

uma boa candidata aos sistemas de propulsão eléctrica.

Figura 2.44 – Exemplo de uma bateria de Lítio Fosfato de Ferro [55].

Por outro lado, apresenta um custo inicial elevado, é necessário ter cuidado com

as tensões máxima e mínima de cada célula e com a temperatura de funcionamento,

uma vez que ultrapassados os valores de referência a bateria danifica-se. Actualmente

existem sistemas de controlo, designados por BMS (Battery Management System), que

asseguram o correcto funcionamento das baterias [4],[56].

A bateria de Lítio Fosfato de Ferro é utilizada no modelo e6 da BYD, apresentado

na Figura 2.45.

Figura 2.45 – Carro eléctrico com baterias de Lítio Fosfato de Ferro: BYD e6 [57].




2.7.2. Volante de Inércia

O volante de inércia é um dispositivo mecânico com um elevado momento de

inércia, utilizado para armazenar energia sobe a forma de energia cinética de rotação.

O conceito de volante de inércia não é novo: na década de 1950 a empresa

Oerlikon apresentou um autocarro, denominado Gyrobus (Figura 2.46)., onde a energia

era armazenada num volante de inércia. O volante de inércia ficava localizado debaixo

do piso, a rodar a 3000 rpm. Acoplado ao volante de inércia estava um gerador que

alimentava o motor de tracção. O Gyrobus era um veículo híbrido do tipo série, mas em

vez de ter o habitual motor de combustão interna a accionar o gerador, tinha o volante

de inércia.

Figura 2.46 – Veículo híbrido com volante de inércia: Gyrobus no posto de carregamento em 1953 [58].

A principal vantagem do volante de inércia é a elevada potência armazenada,

sendo fácil obter e armazenar a energia no volante de inércia. Apresenta uma construção

simples, embora existam grandes preocupações com a segurança em caso de acidente.

Em caso de acidente o volante de inércia poderia actuar como uma bomba, uma vez que

a energia seria libertada quase instantaneamente, além de que pode ser produzido o

efeito giroscópio.

Contudo a utilização do volante de inércia com dimensões reduzidas torna-se útil

nos sistemas de propulsão eléctrica, porque pode ser usado no sistema de travagem

regenerativa [3],[58].

2.7.3. Ultracondensadores

O ultracondensador utiliza apenas características físicas dos materiais o que

permite o seu carregamento rápido, uma vez que não existem reacções químicas. Nas

descargas pode fornecer uma elevada quantidade de energia em pouco tempo,

devolvendo quase toda a energia que recebe. O ultracondensador tem ainda um elevado

rendimento.



O tempo de descarga depende da capacidade (C) do ultracondensador e da

resistência do circuito de descarga. O número de ciclos de vida é excelente quando

comparado com o das baterias. Quando os ultracondensadores estiverem totalmente

optimizados para a utilização nos veículos eléctricos espera-se que durem tanto quanto a

vida útil do próprio veículo.

A utilização de ultracondensadores como elementos armazenadores de energia

requer, na maior parte das aplicações, circuitos conversores de tensão, uma vez que à

medida que se descarregam a tensão aos seus terminais vai baixando.

Actualmente os ultracondensadores têm como principal aplicação nos veículos

eléctricos a travagem regenerativa, sendo carregados durante a travagem regenerativa, e

fornecendo a energia armazenada durante as acelerações do veículo [3],[15],[26],[27].

2.8. Comparação entre Veículos Eléctricos e Veículos de Combustão

Interna

Os sistemas de propulsão eléctrica, em geral, apresentam mais vantagens do que

desvantagens em relação aos sistemas de propulsão por motores de combustão interna.

Os sistemas de propulsão eléctrica permitem uma condução agradável e

silenciosa. Em muitos veículos eléctricos existentes, ou em produção, são retiradas

várias peças que são fonte de ruído no veículo de combustão interna, como exemplo o

motor de combustão interna. Não emitem qualquer tipo de gases nocivos para a

atmosfera, uma vez que consomem energia eléctrica.

Os motores eléctricos apresentam uma eficiência na ordem dos 85 a 95%,

enquanto os motores de combustão interna têm uma eficiência na ordem dos 20 a 30%,

sendo a restante energia desperdiçada sob a forma de calor.

Os custos de manutenção nos veículos eléctricos são inferiores aos dos veículos

de combustão interna, não sendo necessário fazer as típicas revisões que se fazem nos

veículos de combustão interna, de forma a mudar o óleo, filtros, correia de distribuição,

etc.

Os veículos eléctricos podem ter um custo de aquisição superior ao dos veículos

de combustão interna, no entanto a diferença é recuperada com a economia em termos

energéticos e de manutenção.

Em alguns países existe legislação que favorece os proprietários de veículos

eléctricos, reduzindo os impostos, quer no acto de compra, quer durante o tempo de vida

do veículo. Actualmente em Portugal, os carros eléctricos pagam apenas 30% do

imposto automóvel.

Na Tabela 3 é apresentada a comparação entre os veículos eléctricos, veículos

híbridos, veículos com células de combustíveis e veículos de combustão interna

[9],[15].




Tabela 3 – Comparação entre alguns tipos de sistemas de propulsão.

Veículos Eléctricos Veículos Híbridos Veículos a Células de

Combustível

Veículos a Combustão

Interna

Tipo de propulsão

Motor Eléctrico Motor Eléctrico e

Motor de Combustão Interna

Motor Eléctrico Motor de

Combustão Interna

Fonte de energia

Baterias e Ultracondensadores

Baterias, Ultracondensadores

e Petróleo Hidrogénio Petróleo

Eficiência Alta Média Alta Baixa

Emissões de gases

Zero Baixas Zero Altas

Custo inicial Alto Alto Alto Baixo

Custo utilização Baixo Médio Baixo Alto

Autonomia Baixa Alta Alta Alta

Manutenção Baixa Alta Baixa Alta

2.9. Normas aplicadas a Veículos de Propulsão Eléctrica

Os veículos de propulsão eléctrica utilizam diversas tecnologias novas. É

necessária a utilização de novas normas de forma a não se tornar os veículos de

propulsão eléctrica num sistema confuso. A normalização tem por base trazer

comodidade, quer ao utilizador, quer ao fabricante, facilitar a produção, reduzir o custo

de fabricação, entre outros.

Existem duas instituições responsáveis pela normalização de tecnologias

relacionadas com os veículos de propulsão eléctrica: o IEC (International

Electrotechnical Commission), que lida com tudo o que seja das áreas eléctricas; e a

ISSO (International Organization for Standardization), que lida com todos os outros

tipos de tecnologia. A divisão entre IEC e ISO está feita da seguinte forma: o IEC

responsabiliza-se pelos componentes eléctricos e pela infra-estrutura de apoio e

alimentação dos veículos de propulsão eléctrica. A ISO trata dos veículos de propulsão

eléctrica como um todo. Existe intercomunicação entre ambas as entidades de forma a

resolver ambiguidades e debater sobre as dúvidas que surjam.

No IEC foram criados três Comités Técnicos responsáveis pelos veículos de

propulsão eléctrica. Estes apresentam as seguintes designações: TC69, SC23E e SC23H,

sendo que os dois últimos apresentam uma forte ligação ao primeiro. Dentro do comité

TC69, são criados três grupos de trabalho: o WG2, responsável pelos motores e

controladores; o WG3, responsável pelas baterias; e o WG4, responsável pelas infra-

estruturas.

Na entidade ISO foi criado o comité TC22 SC21, o qual foi dividido em dois

grupos: o WG1, responsável pela segurança, terminologia e especificações de

performance nos veículos eléctricos; e o WG2, responsável pelas especificações de

performance, gestão do estado das baterias nos veículos híbridos, segurança, e outros

assuntos técnicos nos veículos a células de combustível.



De seguida são apresentadas várias tabelas com as principais normas aplicáveis

aos veículos de propulsão eléctrica [59]-[61].

Tabela 4 – Normas para terminologia em veículos híbridos.

Normas para terminologia em veículos híbridos

Temática Zona

Internacional Europa EUA Japão

Terminologia ISO 8713 EN 13447 SAE J1715

JEVS Z805 JEVS Z806 JEVS Z807 JEVS Z808

Terminologia (Veículos a Células de Combustível)

SAE J2574

Tabela 5 – Normas respeitantes a baterias para veículos eléctricos.

Normas respeitantes a baterias para veículos eléctricos

Temática Zona


Performance, Ácido/Zinco IEC 60254/1 EN 60254/1

JEVS D701 JEVS D702 JEVS D703 JEVS D704

Tamanho, células Ácido/Zinco IEC 60254/2 EN 60254/2

Tamanho, células Ácido/Zinco, Mónobloco

SAE J1797 JEVS D001

Carga, Ácido/Zinco IEC 61044 EN 61044

Performance, NiCD IEC 61382/1

Performance, NiMH

JEVS D705 JEVS D706 JEVS D707 JEVS D708 JEVS D709

Tamanho NiMH SAE J1797 JEVS D002

Performance, Generalidades IEC 61982/2 IEC 61982/3

SAE J1798 SAE J2288

Baterias, Generalidades SAE J2289 SAE J2380 SAE J2464

Tabela 6 – Normas de segurança para veículos eléctricos.

Normas de segurança para veículos eléctricos

Temática Zona


Segurança em baterias ISO 6469/1 EN 1987/1

EN 50272/3

Segurança funcional ISO 6469/2 EN 1987/2

Protecção contra riscos eléctricos

ISO 6469/3 EN 1987/3

Segurança de baterias em caso de acidente

SAE J1766

Segurança do veículo (generalidades)

SAE J2344

Emissões de hidrogénio EN 50276 SAE J1718




Tabela 7 – Normas para infra-estruturas aplicáveis a veículos eléctricos.

Normas para infra-estruturas aplicáveis a veículos eléctricos

Temática Zona


Carga condutiva/ Aspectos gerais

IEC 61851/1 ENV 50275/1 SAE J1772 JEVS G109

Carga condutiva/ Veículos eléctricos

IEC 61851/21 ENV 50275/2/1

Estação de carga condutiva/ C.A.

IEC 61851/22 ENV 50275/2/2

Estação de carga condutiva/ C.C.

IEC 61851/23 ENV 50275/2/3

Protocolos de comunicação ENV 50275/2/4 SAE J2293/1 SAE J2293/2

JEVS G108

Fichas e receptáculos IEC 62196 CENELEC R069/001

JEVS G601

JEVA TG G101

Ruído em acto de carga EN 12736

Indutiva/ Aspectos gerais IEC 61980/1 EN 1986/2 JEVS G106

Acoplamento indutivo IEC 61980/2 EN 1986/2 SAE J1773 JEVS G107

Eco-estação

JEVS G101 JEVS G102 JEVS G103 JEVS G104 JEVS G105

Tabela 8 – Normas para componentes de veículos eléctricos.

Normas para componentes de veículos eléctricos

Temática Zona


Cablagem e conectores IEC 783 EN 1821/2 SAE J1666

Instrumentação IEC 784 EN 1986/2 SAE J1634 JEVS Z804

Máquinas eléctricas rotativas IEC 785

IEC 60349

JEVS E702 JEVS E901

Controladores IEC 786 JEVS Z107 JEVS E701

Tabela 9 – Normas para performances de veículos eléctricos.

Normas para performances de veículos eléctricos

Temática Zona


Características de operação em estrada

ISO 8715 EN 1821/2 SAE J1666

JEVS Z101 JEVS Z102 JEVS Z104 JEVS Z109 JEVS Z110 JEVS Z112

Consumo energético e alcance ISO 8714 EN 1986/2 SAE J1634

JEVS Z103 JEVS Z105 JEVS Z106 JEVS Z108 JEVS Z111

Especificações do veículo JEVS Z901



Tabela 10 – Normas para ciclos de teste dos veículos em estrada.

Normas para ciclos de teste dos veículos em estrada

Temática Zona


Emissão de gases poluentes de acordo com o tipo de combustível (ECE-15)

UNECE Reg.83-

ver.3

Emissão de gases poluentes de motorizadas (ECE-47)

UNECE Reg.47

Emissão de gases poluentes de motos (ECE-40)

UNECE Reg.40

2.10. Homologação de Veículos Eléctricos em Portugal

O processo de homologação de veículos eléctricos em Portugal, ainda não está

minimamente institucionalizado, devido ao escasso número de veículos eléctricos

existentes.

Actualmente, a homologação é regulada pela directiva 2007/46/EC (desde 29

Abril de 2009), sendo aplicável a todos os automóveis, independentemente do sistema

de propulsão.

O IMTT (Instituto da Mobilidade e dos Transportes Terrestres) certifica que o

automóvel está conforme as exigências administrativas relevantes, e requisitos técnicos

relativos aos seguintes aspectos: segurança activa e passiva, protecção do meio

ambiente e desempenho, entre outros requisitos. Estas medidas têm como objectivo

assegurar que os automóveis colocados no mercado, cumpram os requisitos comuns,

bem como garantir o funcionamento adequado do mercado interno da União Europeia.

As alterações efectuadas aos automóveis não podem reduzir o nível de segurança

na circulação, nem a protecção do ambiente, apresentadas pelos veículos antes da

transformação. A alteração de algumas características do veículo não depende da

avaliação técnica do IMTT, como por exemplo: pneus, cor, entre outras. Se for

necessário proceder à alteração da lotação, nº de eixos, motor/sistema de alimentação,

ou tipo de cabine, a alteração pode ser autorizada, mas dependerá da aprovação prévia

do IMTT.

Em suma, para a aprovação do automóvel deve existir uma aprovação prévia do

IMTT. Este organismo pode exigir, em certas transformações (que suscitem dúvidas),

um parecer técnico favorável do fabricante. Os projectos de alteração que mexam no

nível de segurança, devem ser certificados por um engenheiro com formação na área da

mecânica, e por fim pela aprovação num centro de inspecção técnica de automóveis

categoria B [62],[63].

2.11. Conclusão

Os sistemas de propulsão eléctrica não são recentes. Os três principais tipos de

veículos que apresentam propulsão eléctrica são: os veículos eléctricos, os veículos




híbridos e os veículos a célula de combustível.

Os veículos eléctricos usam um ou mais motores eléctricos para o sistema de

propulsão. Existem várias configurações possíveis para os veículos eléctricos,

dependendo do tipo de motor aplicado, do tipo de tecnologia do sistema de

armazenamento de energia e da localização de ambos no veículo.

Os veículos híbridos utilizam duas fontes de propulsão, um motor de combustão

interna e um ou mais motores eléctricos. Existem três tipos de configurações nos

veículos híbridos que se destacam: série, paralelo e série-paralelo.

Os veículos a células de combustível utilizam a célula de combustível para gerar a

energia eléctrica que alimenta o(s) motor(es) do sistema de tracção eléctrico. Tal como

nos outros sistemas de propulsão eléctrica, tem havido uma enorme investigação sobre

as células de combustível.

Do universo dos motores eléctricos são quatro os que mais se aplicam aos

sistemas de propulsão eléctrica. O motor de corrente contínua, o motor de indução, o

motor síncrono de ímanes permanentes e o motor de relutância.

Os motores síncronos de ímanes permanentes apresentam melhor eficiência em

comparação com os outros. Contudo, os motores de corrente contínua ainda têm forte

aplicação nas conversões (de motor de combustão para motor eléctrico) e em sistemas

de propulsão eléctrica novos, quando se pretende ter um custo baixo.

Existem vários tipos de elementos armazenadores para os sistemas de propulsão

eléctrica, no entanto, os que mais se utilizam actualmente são as baterias. Existem cinco

tipos de baterias que mais se aplicam aos sistemas de propulsão eléctrica: Chumbo,

Níquel-Cádmio, Níquel-Hidreto-Metálico, Lítio-Polímero e Lítio Fosfato de Ferro. As

baterias de Lítio Fosfato de Ferro são as que apresentam melhores características para

os sistemas de propulsão eléctrica.

Os sistemas de propulsão eléctrica utilizam diversas novas tecnologias. Para tal é

necessário que existam novas normas de forma a atender as necessidades dos

utilizadores e dos fabricantes.

A homologação de veículos eléctricos em Portugal ainda não se encontra

minimamente institucionalizada, uma vez que os processos que aparecem são ainda

raros.



CAPÍTULO 3

Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes

3.1. Introdução

O motor de fluxo axial não é uma tecnologia nova. O primeiro motor de fluxo

axial remonta a 1831, tendo sido construído por Michael Faraday. Alguns anos mais

tarde, em 1837, Davenport patenteou o primeiro motor de fluxo axial.

São várias as razões que levaram a que o motor de fluxo axial não fosse utilizado

durante longos anos, nomeadamente: grande força de atracção entre o estator e o rotor,

dificuldades no fabrico, custos elevados no fabrico do núcleo laminado do estator e

dificuldades na montagem para manter uniforme o espaço de ar. Desta forma, os

motores de fluxo radial têm vindo a dominar o mercado até à actualidade.

O sistema de excitação das máquinas eléctricas por ímanes permanentes renasceu

em 1983, aquando da descoberta dos ímanes permanentes do tipo Neodímio-Ferro-Boro

(NdFeB), que pertencem à família dos ímanes permanentes de terras raras, reavivando a

utilização dos motores de fluxo axial com ímanes permanentes.

Durante as últimas décadas os ímanes permanentes têm sofrido um elevado

desenvolvimento. A evolução do conhecimento sobre ímanes permanentes tem

mostrado a necessidade de se ter em atenção a estabilidade térmica dos ímanes

permanentes, bem como a sensibilidade dos parâmetros específicos dos ímanes

permanentes ao aumento da temperatura.

Os motores de fluxo axial com ímanes permanentes são cada vez mais utilizados,

como por exemplo, incorporados nas rodas dos sistemas de propulsão eléctrica, em

geradores eólicos, na indústria, entre outros [64]-[68].

Nos itens seguintes são descritos os principais tipos de motores de fluxo axial,

sendo feita também uma breve comparação entre os motores de fluxo axial e os motores

de fluxo radial. Por fim, é apresentado o tipo de motor de fluxo axial escolhido para a

conversão de um veículo de combustão interna em veículo eléctrico, assim como um

dos tipos de sistema de controlo que podem ser aplicados a este tipo de motor.

3.2. Motores de Fluxo Axial

Os motores de fluxo axial com ímanes permanentes (AFPM – Axial Flux

Permanent Magnet), também chamados de disc-type machine, apresentam-se como uma

alternativa aos motores de fluxo radial. Possuem excelentes características para os

Capítulo 3 – Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes


sistemas de propulsão eléctrica, tais como, construção compacta e alta densidade de

potência, e além disso são adequados para funcionar a baixas rotações. Estas são

óptimas características para serem incorporados no interior das rodas dos veículos com

sistemas de propulsão eléctrica (Motor-in-Wheel).

Em princípio, cada motor de fluxo axial apresenta um correspondente nos motores

de fluxo radial. No entanto, na realidade isto não se verifica, uma vez que apenas

existem cinco tipos de motores de fluxo axial: motores de corrente contínua com ímanes

permanentes, BLDCs (Brushless DC), motores síncronos de ímanes permanentes,

motores de indução e motores de relutância.

Os motores de corrente contínua com ímanes permanentes são uma opção versátil

e económica para pequenos sistemas de propulsão eléctrica.

Os BLDCs e motores síncronos de ímanes permanentes apresentam praticamente

a mesma estrutura, sendo a principal diferença a forma de onda da corrente. O BLDC

produz uma força contra-electromotriz trapezoidal e absorve corrente com forma de

onda rectangular. Enquanto o motor síncrono de ímanes permanentes apresenta uma

força contra-electromotriz sinusoidal e absorve corrente sinusoidal (Figura 3.1).

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 3.1 – Formas de onda da força contra-electromotriz, à esquerda do motor BLDC e à direita do

motor síncrono de ímanes permanentes [64].

Nos motores de indução existem algumas dificuldades de fabrico do rotor

laminado em gaiola. Isto leva ao baixo interesse pelos motores de indução de fluxo

axial.

Os motores de relutância muitas vezes são construídos com elevado isolamento

entre fases, quer a nível eléctrico quer a nível do caminho do fluxo magnético.

Apresentam também uma grande liberdade de escolha do sistema de controlo [64],[69].

3.3. Topologias dos Motores de Fluxo Axial com Ímanes Permanentes

Os motores de fluxo axial com ímanes permanentes, como se pode ver na




Figura 3.2, podem ter diversas configurações a nível da construção: single-sided,

double-sided ou multi-stage. Assim podem ter um ou mais rotores internos ou externos,

com os ímanes permanentes internos ou superficiais, e com um ou mais estatores. Dessa

forma existe uma maior liberdade de escolha na selecção da configuração mais

adequada para a aplicação desejada para este tipo de motores.

Os motores de fluxo axial single-sided são divididos em dois grupos: estator

slotted e estator slotless (non-slotted). Os double-sided são também divididos em dois

grupos: estator interior e rotor interior. Por sua vez o grupo de estator interior pode ser

dividido em três: estator slotted, estator slotless e estator coreless. O grupo de rotor

interior pode ser dividido em dois: estator slotted e estator slotless. Por seu lado os

motores multi-stage podem ser de três tipos: estator slotted, estator slotless e estator

coreless [64],[70].

Figura 3.2 – Topologia dos motores de fluxo axial com ímanes permanentes.

Os motores de fluxo axial single-sided, também chamados de AFPM-11,

apresentam a estrutura mais básica e simples dos motores de fluxo axial. Como se pode

observar na Figura 3.3, são constituídos apenas por um rotor e um estator. Apesar de

serem simples no design, fabrico e montagem, apresentam baixo binário comparado

com as outras topologias. Apresentam a desvantagem do fluxo magnético ser apenas

produzido só de um lado, causando assim uma força atractiva. Esta força atractiva causa

perdas por aquecimento nos rolamentos e flexão do eixo do rotor [64],[71].



Figura 3.3 – Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração single-sided: à esquerda estator

slotless e à direita estator slotted.

A configuração double-sided apresenta um binário alto e uma maior densidade de

potência devido ao entreferro ter o dobro da área. A força atractiva é equilibrada em

ambos os lados do motor. Por outro lado tem a desvantagem de ter uma construção e

montagem complicadas.

O motor double-sided com estator interior, muitas vezes denominado de TORUS

ou AFPM-12, é composto por um estator e dois rotores. Como referido anteriormente,

apresenta três tipos de configurações: estator slotted (Figura 3.4), também chamado de

slotted TORUS, TORUS-S, NN TORUS-S ou NS TORUS-S; estator slotless (Figura

3.5), também chamado de slotless TORUS, TORUS-NS, NN TORUS-NS ou

NS TORUS-NS; e estator coreless, também chamado de yokeless TORUS (Figura 3.6)

[64],[71]-[75].

Figura 3.4 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator slotted: à

esquerda NN TORUS-S e à direita NS TORUS-S.




Figura 3.5 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator slotless: à

esquerda NN TORUS-NS e à direita NS TORUS-NS.

Figura 3.6 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided estator coreless NS.

A configuração double-sided com rotor interior (Figura 3.7), também chamada de

AFIR ou AFPM-21, é constituída por dois estatores e um rotor. O tipo estator slotted

também é chamado de slotted AFIR ou AFIR-S. Já o tipo estator slotless, é chamado de

slotless AFIR ou AFIR-NS [64],[71],[72],[74],[76].

Figura 3.7 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided rotor interior: à

esquerda AFIR-NS e à direita AFIR-S.



Recentemente a segmentação do estator nos motores do tipo double-sided com

estator interior deu origem a uma nova topologia, denominada de SAT (Segmented

Armature Torus), apresentada na Figura 3.8. Esta tecnologia combina as características

positivas das topologias NN TORUS-S e NS TORUS-S [70],[77],[78].

Figura 3.8 – Topologia SAT.

Nos motores com topologia do tipo NS TORUS-S e NN TORUS-S, acrescentando

um ou dois enrolamentos de campo, respectivamente, consegue-se controlar o fluxo

magnético no entreferro resultando uma nova topologia do motor double-sided com

estator interior, chamada de FCT-NS para os NS TORUS-S e FCT-NN para os NN

TORUS-S (Figura 3.9) [73].

Figura 3.9 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração double-sided com estator interior:

à esquerda FCT-NS e à direita FCT-S.

Os motores de fluxo axial multi-stage, também chamados multidisc, são formados

por uma combinação de vários rotores e vários estatores, sendo o número de rotores

superior ao número de estatores por uma unidade. Por exemplo, na Figura 3.10 está

apresentado um motor multi-stage de três estatores e quatro rotores. Este tipo de

motores apresenta uma elevada densidade de potência e um elevado binário. Por outro

lado, têm a desvantagem de ter uma configuração, um design e uma montagem

complicadas, bem como a grande quantidade de material magnético necessário para os

construir [64],[72].




Figura 3.10 - Topologia e direcção do fluxo magnético na configuração multi-stage: à esquerda estator

slotted e à direita estator slotless

Os ímanes permanentes do rotor podem ser classificados quanto à sua geometria:

trapezoidal, circular ou semicircular (Figura 3.11). A qualidade da força contra-

electromotriz que o motor produz depende da geometria e da distância entre os ímanes

permanentes escolhidos [64].

(a) (b) (c)

Figura 3.11 – Geometria dos ímanes permanentes: (a) trapezoidal, (b) circular e (c) semicircular [1].

De todas as topologias apresentadas o motor escolhido para este trabalho de

conversão de um veículo de combustão interna num veículo eléctrico é do tipo AFIR-S,

com uma geometria dos ímanes permanentes trapezoidal. Este motor tem a vantagem de

ser 25% mais leve quando comparado com os motores tradicionais. A escolha do rotor

em forma de disco permite um tamanho de construção reduzido, ideal para ser usado

como Motor-in-Wheel. Possui alta eficiência, podendo chegar aos 95%. Quando opera

como gerador apresenta as mesmas características de operação do que como motor, o

que é óptimo para ser usado em veículos que possibilitem a travagem regenerativa. É

construído respeitando as normas de protecção e isolamento IP 54 [79],[80].

3.4. Modelo do Motor AFIR-S

Matematicamente, o modelo do motor AFIR-S é descrito pelas equações abaixo

apresentadas.

As tensões de entrada do motor são:

max sina su U t (3.1)



23max sinb su U t (3.2)

23max sinc su U t (3.3)

Após a aplicação da transformada de Park, obtém-se as seguintes equações

relativamente ao eixo dq:

23 max sind su U t (3.4)

23 max cosq su U t (3.5)

Onde maxU corresponde à tensão aplicada,

sà velocidade síncrona angular e à

posição do rotor.

O modelo equivalente do motor AFIR-S no eixo dq é apresentado na Figura 3.12.

Figura 3.12 – Modelo equivalente do motor AFIR-S no eixo dq [68].

O sistema de equações que descreve o modelo equivalente do motor AFIR-S é o

seguinte [68]:

d

d

dd s d d q q

iu R i L L i

t (3.6)

d

d

q

q s q q d d PM

iu R i L L i

t (3.7)

A potência de saída é dada pela seguinte equação [81]:

3

2 32

16

p l

out p i agap D D o

fP k k B A l k l k D

p (3.8)

Onde é o rendimento, pk é o factor de onda da potência eléctrica, ik é o factor




de onda da corrente, p é a relação da largura do pitch do íman, agapB é o valor máximo

da densidade de fluxo do entreferro, A é o valor da carga aplicada ao motor, f é a

frequência do sistema, p é o número de para de polos, Dk é a relação entre diâmetros

do motor, ou seja /D in ok D D , onde inD é o diâmetro interno do rotor e

oD é o

diâmetro externo do rotor.

O binário mecânico é dado pela seguinte equação [68]:

e d d PM q q q dT p L i i L i i (3.9)

A inércia é obtida a partir da equação [68]:

d

de LJ p T T

t (3.10)

A posição do rotor é obtida a partir do integral da velocidade angular, como se

pode ver a seguir [68]:

dt (3.11)

O ângulo de carga pode ser calculado pela seguinte expressão [68]:

L st (3.12)

A velocidade angular síncrona é [68]:

2s sf (3.13)

A velocidade do rotor é dada por [68]:

60

2n

p (3.14)

O fluxo dos ímanes permanentes no eixo de referência dq é dado por [68]:

max3

2PM

e

U (3.15)

Onde e é a velocidade angular eléctrica e calcula-se da seguinte forma:

e p (3.16)

3.5. Motores de Fluxo Axial vs. Motores de Fluxo Radial

A principal diferença entre os motores de fluxo axial e os motores de fluxo radial,

como o próprio nome diz é o tipo de fluxo magnético produzido. Nos motores de fluxo

axial, o caminho do fluxo magnético ocorre paralelo ao eixo de rotação, enquanto nos

motores de fluxo radial, o caminho do fluxo é perpendicular ao eixo de rotação, como



representado na Figura 3.13.

Figura 3.13 – Comparação entre motores de fluxo axial e motores de fluxo radial: à esquerda motor de

fluxo axial e à direita motor de fluxo radial [81].

Nos motores de fluxo axial o caminho do fluxo no entreferro é muito curto,

permitindo minimizar a redução das perdas no núcleo por histerese e por correntes de

Foucault.

A direcção do fluxo magnético no ferro dos motores de fluxo axial pode sofrer

varias alterações, dando origem a varias configurações de acordo com o caminho

percorrido pelo fluxo, como apresentado anteriormente.

Os motores de fluxo axial são compactos e de tamanho reduzido, quando

comparados com os seus equivalentes nos motores de fluxo radial. Esta característica é

importante para aplicação em sistemas de propulsão eléctrica, porque cada vez mais

existe a necessidade de incorporar o sistema de propulsão nas rodas, tornando crucial o

espaço ocupado pelo motor eléctrico.

Por outro lado, os motores de fluxo radial apresentam menores perdas a elevadas

rotações, têm bons sistemas de refrigeração, construção e topologias simples, e

apresentam uma tecnologia madura em relação aos motores de fluxo axial.

O controlo para motores de fluxo axial é mais complexo quando comparado com

o motor tradicional de corrente contínua. Na maior parte das vezes, existe a necessidade

de saber a posição do rotor do motor de fluxo axial de forma a ter um controlo eficiente

de velocidade para os mesmos [69],[82],[83].

3.6. Motor Eléctrico Utilizado na Conversão

O motor eléctrico utilizado na conversão do veículo de combustão interna em

veículo eléctrico e mostrado na Figura 3.14 é do tipo AFIR-S. Este motor PMS156W de

30 kW é desenvolvido pela empresa PermMotor especialmente para aplicações em

veículos eléctricos e apresenta uma elevada densidade de potência, bom preço e

ausência de manutenção.




Figura 3.14 – Motor eléctrico de fluxo axial do tipo AFIR-S, utilizado neste trabalho.

Como referido anteriormente o motor eléctrico é do tipo AFIR-S, onde os núcleos

dos estatores são laminados com orientação radial dos slots, ocupados pelos

enrolamentos trifásicos. A construção das falanges laterais em alumínio permite uma

melhor troca de calor quando comparado com outras topologias.

A utilização de ímanes permanentes NdFeB no rotor permite um elevado fluxo

magnético, o que garante elevado binário. O rotor tem a forma de disco (Figura 3.15),

com a particularidade de ser construído com plástico especial, o que permite diminuir o

peso e obter uma inércia pequena.

Figura 3.15 – Rotor do motor utilizado [84].

Na Figura 3.16 é apresentada a curva de binário vs velocidade e a curva de

potência vs velocidade do motor eléctrico utilizado na conversão do veículo de

combustão interna em veículo eléctrico.



Figura 3.16 – Curva de binário vs velocidade e curva de potência vs velocidade do motor eléctrico

utilizado na conversão do veículo de combustão interna em veículo eléctrico [85].

Tabela 11 – Características do motor eléctrico utilizado na conversão do veículo de combustão

interna em Veículo Eléctrico.

Características Valor

Potência Nominal (PN) 30 kW

Ligação dos enrolamentos no estator Y

Tensão Nominal (VN) 187 V

Corrente Nominal (IN) 113,5 A

Rotação Nominal 6000 rpm

Binário Nominal 47,7 Nm

Número de pólos (p) 8

Frequência Nominal 400 Hz

Resistência do estator (R) 19,35 mΩ

Indutância do estator no eixo d (Ld) 100 µH

Indutância do estator no eixo q (Lq) 160 µH

Constante da tensão composta (ke) 25,73 V/krpm

Inércia do rotor (J) 5,86 mkgm2

Peso 29,6 kg

Para a elaboração da Tabela 11, com as características do motor eléctrico foi

necessário fazer algumas medições. A resistência do estator foi obtida a partir da

medição da resistência entre fases dividida por dois uma vez que os enrolamentos do

estator estão ligados em estrela. A medição da resistência foi efectuada com a ajuda de

uma ponte RLC de precisão (PM630A, da PHILIPS).

Para calcular as indutâncias Ld e Lq, ligou-se o terminal da fase B do motor com o

terminal da fase C. Com os terminais das fases B e C ligados, a componente d do eixo




do rotor é eliminada. Assumindo que a componente q do eixo do rotor está alinhada

com a fase A, pode-se concluir que a componente d do eixo do rotor não contem

qualquer informação, e que a força contra-electromotriz é zero. A equação 3.7, de

acordo com estas condições, pode ser reescrita da seguinte forma:

a s a q au R i L i (3.17)

Nas condições apresentadas anteriormente a corrente no eixo q do rotor e na fase

A são iguais e a componente q do eixo está alinhada com a fase A. Para a posição do

rotor em que a corrente pico a pico é mínima, com uma tensão sinusoidal fixa entre as

fases A e B, o valor de Lq é dado pela seguinte equação:

2

2 2 2pp

s q

pp

uR L

i (3.18)

O mesmo procedimento foi realizado para o cálculo da indutância Ld, mas desta

vez a posição do rotor deve estar na posição em que a corrente de pico a pico seja

máxima. O valor de Ld é dado pela seguinte equação [86] [87] [2][3]:

2

2 2 2pp

s d

pp

uR L

i (3.19)

Nas medições acima descritas o rotor deve estar bloqueado.

Na Figura 3.17, são apresentadas as formas de onda obtidas na realização dos

testes para o cálculo das indutâncias Ld e Lq. As formas de onda azuis representam a

tensão e as vermelhas a corrente. A escala do sensor de corrente é de 10 mV/A.

Figura 3.17 – Teste realizado para calcular as indutâncias Ld (esquerda) e Lq (direita).

3.7. Controlo de Motores de Fluxo Axial

O motor de fluxo axial do tipo AFIR-S é projectado para ter uma força contra-

electromotriz sinusoidal ou quase sinusoidal. Para as aplicações de velocidade variável



o inversor deve ser do tipo fonte de tensão, pois a tensão à saída do inversor deve ser

sinusoidal ou com modulação PWM. Assim, a corrente no motor será sinusoidal, ou os

controladores de corrente actuarão de forma a que este se torne sinusoidal [64].

Controlo de Corrente

O modelo equivalente do motor do tipo AFIR-S, apresentado na Figura 3.12, pode

ser usado para projectar os controladores de corrente para o controlo das correntes dq do

motor.

O controlo das correntes dq do motor pode ser representado pelo diagrama de

blocos simplificado, apresentado na Figura 3.18. Com o conhecimento dos parâmetros

do motor, as funções de transferência das correntes dq do controlo podem ser

determinadas, e os controladores de corrente projectados de acordo com as correntes dq

pretendidas [64].

Figura 3.18 – Diagrama de blocos simplificado do sistema de controlo das correntes dq [64].

Controlo de Velocidade

Em termos de eficiência é desejável que o sistema de controlo permita que o

motor produza o máximo valor de binário por ampere. No motor do tipo AFIR-S de

imanes salientes o máximo binário por ampere é obtido controlando a corrente de modo

a que adi seja negativa, isto é, forçando o ângulo do fasor da corrente para que este

tenha um valor predefinido, , como mostrado na Figura 3.19. Na região de velocidade

inferior à velocidade angular base ( b ) do motor, o conversor consegue fornecer

tensão suficiente para que os controladores de corrente não saturem, e o motor pode ser

controlado para operar com um valor máximo de binário por ampere. Esta situação

implica que o ângulo da corrente, , seja igual a 0 , que representa o valor médio do

ângulo óptimo para todas as condições de carga.

No entanto, para a região de velocidades mais elevadas ( b ) a força contra-

electromotriz torna-se superior à máxima tensão que é possível obter à saída do

Inversor. Desta forma os controladores de corrente começam a saturar, provocando a

perda do controlo da corrente, e assim, rapidamente o binário começa a cair com o

aumento da velocidade.




Para se evitar a diminuição do binário e assegurar uma maior gama de velocidade,

deve-se alterar o controlo de máximo binário por ampere para começar a injectar uma

maior componente negativa no eixo d, para que dessa forma a tensão do eixo q diminua

com o aumento da velocidade. Isto implica em que o ângulo da corrente, , deva ser

aumentado, e a amplitude da corrente deva ser mantida igual ou inferior à amplitude da

corrente nominal, como mostra a Figura 3.19, de tal forma que:

2 2

2 d d PM s q q q s d dL i R i L i R i V (3.20)

onde dV é a tensão do barramento CC do Inversor.

Para o máximo ângulo da corrente, m

, a região de velocidade máxima pode ser

muito maior se o ângulo da corrente for mantido constante, em m

, e a amplitude

da corrente for reduzida, como se pode observar na Figura 3.19.

Binário Positivo

Binário Negativo

Figura 3.19 – Representação do fasor corrente do motor AFIR-S para baixas e altas velocidades [1].

Assim, pode-se resumir que a corrente do motor pode ser controlada através da

sua amplitude, mantendo o ângulo da corrente constante num valor óptimo e

incrementando o ângulo da corrente para velocidades mais elevadas. De forma a

simplificar o controlo o ângulo da corrente, , é definido para um ângulo positivo entre

0º e 90º. A corrente Ti que controla o binário do motor é proporcional à amplitude da

corrente do motor. Assim:

| | sin , 0d Ti i para (3.21)

cos , 0q Ti i para (3.22)



O binário electromagnético em função da corrente Ti pode ser traduzido pela

seguinte equação:

, constantee Tf T Trel TT k i k i para (3.23)

Com a estratégia de controlo de corrente apresentada, e sendo o binário uma

função da corrente dada pela equação 3.23, o controlo de velocidade do motor pode ser

implementado a partir do controlo de corrente apresentado na Figura 3.20.

O diagrama de blocos da Figura 3.20 descreve o princípio básico do controlo de

corrente e velocidade do motor do tipo AFIR-S. O controlador de velocidade actua

sobre o erro entre a velocidade pretendida e a velocidade medida do motor, e gera uma

corrente de controlo, Ti , conforme apresentado na equação 3.23. Esta referência de

corrente é limitada aos valores do motor, tal como se pode ver na Figura 3.20. O ângulo

da corrente, , é positivo, sendo determinado em função do valor absoluto da

velocidade do motor, . Para a região de baixas velocidades o ângulo da corrente, ,

é mantido constante. Para velocidades elevadas ( b ) o ângulo da corrente, é

incrementado com a velocidade, sendo também limitado superiormente, como se pode

ver na Figura 3.20.

Conhecida a amplitude e o ângulo da corrente os valores das correntes de

referência dq ( *

di e *

qi ) são determinadas de acordo com as equações 3.21 e 3.22. Com

a medição da velocidade e das correntes dq (obtidas a partir das transformadas de

Clarke e Park) o controlador de corrente calcula as tensões dq necessárias. As tensões

dq geradas são transformadas num sistema de referências a três fios a partir das

transformadas inversa de Park e inversa de Clarke (apresentadas nos itens seguintes).

Posteriormente, as referências obtidas são enviadas para o bloco PWM.

Para o dimensionamento do sistema de controlo, apresentado na Figura 3.20,

pode-se fazer algumas aproximações de forma a simplificar o modelo de controlo de

velocidade. Como a constante de tempo mecânica do sistema, em geral, é muito maior

do que a constante de tempo eléctrica, a constante de tempo eléctrica pode ser ignorada.

Outra aproximação possível é assumir que as correntes de compensação sejam iguais às

actuais, ou seja, * * *, ed d q q T Ti i i i i i . Analisando a equação 3.23 o sistema de

controlo pode ser simplificado, como mostrado na Figura 3.21. A função de controlo

simplificado pode ser determinada, e o controlador de velocidade projectado de forma a

obter a resposta de velocidade pretendida. Um aspecto importante deste controlo é a

prevenção da saturação do controlador de correntes dq na região das velocidades

elevadas [64].

A tensão máxima entre fases à saída do inversor com PWM sinusoidal é dada por:

max

30,612

22

dd

VV V (3.24)




Figura 3.20 – Sistema de controlo de corrente e velocidade para o motor AFIR-S.



Figura 3.21 – Diagrama de blocos simplificado do controlo da velocidade [64].

Transformada de Clarke

A transformada de Clarke é usada para transformar um sistema de três

coordenadas ou eixos (a, b, c) num sistema de duas coordenadas ou eixos (alfa, beta).

As equações que descrevem a transformada de Clarke são as seguintes:

2 1 1

3 3 3Alfai ia ib ic (3.25)

3 3

3 3Betai ib ic (3.26)

Como o motor é um sistema trifásico equilibrado, 0ia ib ic , e desta forma,

pode-se reduzir o número de entradas de três para duas, obtendo

Alfai ia (3.27)

2

3Beta

ia ibi (3.28)

Transformada de Park

A transformada de Park é usada para transformar um sistema de dois eixos

estacionários num sistema de dois eixos rotacionais, cuja rotação depende do ângulo

eléctrico do rotor. As equações que descrevem a transformada de Park são as seguintes:

cos sind Alfa e Beta ei i i (3.29)

sin cosq Alfa e Beta ei i i (3.30)

Transformada Inversa de Park

A transformada inversa de Park é usada para fazer o inverso da transformada de

Park, ou seja, passar um sistema de dois eixos rotacionais para um sistema de dois eixos

estacionários. As equações que descrevem a transformada inversa de Park são as

seguintes:

cos sinAlfa d e q ev v v (3.31)

sin cosBeta d e q ev v v (3.32)




Transformada Inversa de Clarke

A transformada de inversa de Clarke é usada para passar um sistema de dois eixos

para um sistema de três eixos. As equações que descrevem a transformada inversa de

Clarke são as seguintes:

a Alfav v (3.33)

1 3

2 2b Alfa Betav v v (3.34)

1 3

2 2c Alfa Betav v v (3.35)

3.8. Conclusão

Nem todos os motores de fluxo radial têm um correspondente de fluxo axial.

Apenas existem cinco tipos de motores de fluxo axial, sendo eles: motores de corrente

contínua, BLDCs (Brushless DC), motores síncronos de ímanes permanentes, motores

de indução e motores de relutância.

Neste capítulo foram apresentadas as diferentes topologias possíveis para os

motores de fluxo axial. O motor escolhido para ser utilizado neste trabalho na conversão

de um veículo de combustão interna num veículo eléctrico é do tipo AFIR-S. Foram

apresentadas as equações que descrevem o motor escolhido bem como as suas

características.

Apresentou-se uma breve comparação entre os motores de fluxo axial e os

motores de fluxo radial.

Por fim apresentou-se um dos sistemas de controlo possíveis para os motores de

fluxo axial do tipo AFIR-S, o qual apresenta a desvantagem de perder eficiência para

velocidade de operação mais elevada com baixo binário.



CAPÍTULO 4

Simulações do Sistema de Controlo do Motor Eléctrico

4.1. Introdução

A utilização de ferramentas de simulação constitui uma mais-valia no projecto de

circuitos ou sistemas electrónicos, uma vez que permite a realização de estudos

aprofundados dos mesmos antes de serem implementados. Existem várias vantagens na

utilização deste tipo de ferramentas, como por exemplo a facilidade de testar várias

topologias e sistemas de controlo, a redução do tempo dedicado ao projecto, bem como

a redução dos custos do projecto. Por outro lado a realização de simulações permite

evitar riscos para as pessoas e para os equipamentos envolvidos.

A ferramenta de simulação escolhida para a implementação do modelo do sistema

de controlo do motor utilizado neste trabalho foi o software MATLAB da empresa The

MathWorks Inc.. No MATLAB foi utilizada a ferramenta Simulink, a qual permite

modelar e analisar sistemas dinâmicos.

Inicialmente foram utilizados outros programas de simulação, nomeadamente o

PSCAD e o PSIM, os quais não se revelaram adequados para a simulação do sistema de

controlo para o motor eléctrico escolhido, uma vez que os modelos de motores

eléctricos disponibilizados por estes programas não são adequados ao tipo de motor

eléctrico utilizado, que corresponde a um motor de fluxo axial. O modelo de motor

eléctrico utilizado no MATLAB foi o do motor síncrono de ímanes permanentes,

diferenciando do motor de fluxo axial escolhido apenas no binário.

Ao longo deste capítulo são apresentados os modelos do Circuito de Potência e do

Circuito de Controlo desenvolvidos neste trabalho de dissertação. A junção desses dois

modelos permite obter um modelo de simulação próximo do pretendido, ou seja, do

modelo do sistema de controlo a implementar no veículo e eléctrico.

4.2. Circuito de Potência

Na Figura 4.1 é apresentado o modelo de simulação do Circuito de Potência

implementado no MATLAB. Este circuito é composto por fontes de tensão de corrente

contínua no barramento CC do inversor, por um inversor e por um motor síncrono de

ímanes permanentes. O modelo utilizado apresenta o mesmo sistema de equações que

descreve o motor de fluxo axial escolhido para ser aplicado no veículo eléctrico,

diferindo apenas no binário produzido.

Capítulo 4 – Simulações do Sistema de Controlo do Motor Eléctrico


Figura 4.1 – Circuito de Potência implementado no MATLAB.

4.3. Sistema de Controlo

O modelo de simulação do Sistema de Controlo é apresentado na Figura 4.2,

sendo composto pelas transformadas de Clarke e Park, pelas transformadas inversas de

Clarke e Park e pelos controladores PI, necessários para a implementação do controlo

desejado.

Figura 4.2 – Sistema de Controlo implementado no MATLAB.

4.4. Resultados das Simulações

Neste item é analisado o comportamento do controlo do motor eléctrico escolhido,

recorrendo ao controlo apresentado no item sete do capítulo 3.

A simulação do sistema de controlo foi dividida em três etapas. Na primeira etapa

verifica-se o funcionamento das transformadas inversas de Clarke e Park. A segunda

etapa serve para validar as transformadas de Clarke e Park. Por fim, a terceira etapa

serve para validar o sistema de controlo no seu todo. De seguida são apresentados e

comentados os resultados obtidos nas simulações nas diferentes etapas acima descritas.




4.4.1. Cálculo das Transformadas Inversas de Clarke e Park

Para validar o correcto funcionamento das transformadas inversas de Clake e Park

foi implementado o circuito da Figura 4.3.

Figura 4.3 – Circuito implementado para validar as transformadas inversas de Clarke e Park.

Para a simulação da transformada inversa de Park é necessário ter o ângulo

eléctrico do rotor do motor, o qual foi simulado através de uma rampa com a forma de

dente de serra apresentada na Figura 4.4.

Para se validar a transformada inversa de Park é necessário aplicar duas

constantes à entrada e obter duas sinusóides desfasadas de 90º com a frequência do

ângulo eléctrico. Na Figura 4.4 pode-se observar o desfasamento de 90º entre as ondas

de saída da transformada inversa de Park, nomeadamente entre Valfa e Vbeta.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo(s)

Valfa

Vbeta

ângulo

Figura 4.4 – Ângulo eléctrico e saídas Valfa e Vbeta obtidas a partir da transformada inversa de Park.

A transformada inversa de Clarke consiste em transformar as saídas obtidas na

transformada inversa de Park num sistema trifásico equilibrado, como o que se obteve e

se pode observar na Figura 4.5.



0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-15

-10

-5

0

5

10

15

Tempo(s)

Varef

Vbref

Vcref

Figura 4.5 – Referências criadas pela transformada inversa de Clarke.

4.4.2. Cálculo das Transformadas de Clarke e Park

Para a simulação das transformadas de Clarke e Park foi adicionado o Circuito de

Potência de forma a se obter as correntes consumidas pelo motor eléctrico, que são a

variável de entrada para a transformada de Clarke. A tensão do barramento CC do

Inversor foi definida para ser de 320 V. O circuito implementado está na Figura 4.6.

Figura 4.6 - Circuito implementado para validar as transformadas de Clarke e Park.

Na Figura 4.7 são apresentadas as formas de onda obtidas a partir da simulação da

transformada de Clarke. Pode-se observar que em regime permanente as componentes

Ialfa e Ibeta encontram-se desfasadas de 90º, tal como esperado. Na Figura 4.8 estão

representadas as formas de onda das correntes consumidas pelo motor eléctrico.




0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

Tempo(s)

Ialfa

Ibeta

Figura 4.7 – Saídas Ialfa e Ibeta obtidas a partir da transformada de Clarke.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

Tempo(s)

Co

rre

nte

(A)

ia

ib

ic

Figura 4.8 – Correntes consumidas pelo motor eléctrico, no teste das transformadas de Clarke e Park.

O ângulo eléctrico necessário para a transformada de Park foi simulado da mesma

forma da transformada inversa de Park indicada no item 4.4.1. A Figura 4.9 apresenta as

formas de onda à saída da transformada de Park.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-100

-50

0

50

100

150

Tempo(s)

Id

Iq

Figura 4.9 – Saídas Id e Iq obtidas a partir da transformada de Park.

Com a validação das transformadas de Clarke e Park foi também possível analisar

as formas de onda das tensões aplicadas ao motor (Figura 4.10), a velocidade angular do

motor eléctrico (Figura 4.11) e o ângulo mecânico do motor eléctrico (Figura 4.12).



Este ensaio também permite a validação da relação existente entre o ângulo

eléctrico e o ângulo mecânico do rotor do motor, ou seja, o ângulo eléctrico é múltiplo

do ângulo mecânico e o factor de multiplicação é o número de par de polos do motor,

neste caso 4.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-10

-5

0

5

10

Tempo(s)

Te

ns

ão

(V)

Vab

Vbc

Vca

Figura 4.10 - Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico, na simulação das transformadas de

Clarke e Park.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-10

0

10

20

30

40

Tempo(s)

Ve

loc

ida

de

(ra

d/s

)

velocidade

Figura 4.11 – Velocidade angular do motor eléctrico, na simulação das transformadas de Clarke e Park.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2-1

0

1

2

3

4

5

6

Tempo(s)

Ân

gu

lo(r

ad

)

ângulo

Figura 4.12 – Saída de posição do motor eléctrico.




4.4.3. Simulação do Sistema de Controlo

Neste item são mostradas as formas de onda obtidas na simulação do Sistema de

Controlo, para a operação do motor em vazio e em carga.

Funcionamento do Motor Eléctrico em Vazio

Para a realização da simulação do motor eléctrico em vazio foi utilizada uma

tensão no barramento CC de 320 V. Nas próximas figuras são apresentados os

resultados obtidos para diferentes referências de velocidade de operação do motor

eléctrico. No intervalo de tempo entre 0 e 1,5 s foi definida uma velocidade angular de

referência de 20 rad/s, e a partir de 1,5 s foi definida uma velocidade angular de

referência de 40 rad/s. A Figura 4.13 apresenta a velocidade angular de referência e a

velocidade angular de funcionamento do motor eléctrico em vazio.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-10

0

10

20

30

40

50

Tempo(s)

Ve

loc

ida

de

(ra

d/s

)

velocidaderef

velocidade

Figura 4.13 – Velocidade angular de referência e velocidade angular do motor eléctrico em vazio.

A Figura 4.14 apresenta as referências de tensão aplicadas ao Inversor pelo

sistema de controlo.

0.5 1 1.5 2 2.5-2

-1

0

1

2

Tempo(s)

Varef

Vbref

Vcref

Figura 4.14 – Referências de tensão aplicadas ao Inversor para controlar o motor eléctrico em vazio para

duas referências de velocidade.



Na Figura 4.15 é apresentado o pormenor da tensão para a transição de uma

velocidade angular para a outra. É possível verificar o desfasamento de 120º entre as

referências, bem como a sequência de fases. Esta figura também permite verificar o

aumento da frequência e tensão para levar o motor eléctrico a rodar a uma velocidade

angular superior à anterior.

1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Tempo(s)

Varef

Vbref

Vcref

Figura 4.15 –Tensão para a transição entre velocidades angulares do motor eléctrico em vazio.

Na Figura 4.16 são apresentadas as formas de onda da corrente consumida pelo

motor eléctrico em vazio para as duas referências de velocidade. Na Figura 4.17 é

apresentado o pormenor nas correntes consumidas durante a transição da velocidade

angular. Como era de esperar, no início da mudança da velocidade angular existe uma

fase transitória com correntes elevadas, uma vez que o sistema reage à alteração de

velocidade num quarto de segundo. Também é possível observar que as correntes

apresentam formas de onda sinusoidais desfasadas 120º entre si e equilibradas.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-10

-5

0

5

10

Tempo(s)

Co

rre

nte

(A)

ia

ib

ic

Figura 4.16 – Correntes consumidas pelo motor eléctrico em vazio para duas referências de velocidade.




1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Tempo(s)

Co

rre

nte

(A)

ia

ib

ic

Figura 4.17 – Pormenor nas correntes consumidas pelo motor eléctrico em vazio durante a transição da

velocidade angular.

A Figura 4.18 apresenta as tensões compostas aos terminais do motor eléctrico em

vazio. Na Figura 4.19 é apresentado o pormenor das tensões compostas aos terminais do

motor eléctrico durante a transição entre velocidades angulares. Mais uma vez verifica-

se o aumento da frequência e da tensão aplicadas ao motor, bem como constate-se o

desfasamento de 120º entre as tensões, que são equilibradas.

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-10

-5

0

5

10

Tempo(s)

Te

ns

ão

(V)

Vab

Vbc

Vca

Figura 4.18 – Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico em vazio para duas referências de

velocidade.

1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75

-10

-5

0

5

10

Tempo(s)

Te

ns

ão

(V)

Vab

Vbc

Vca

Figura 4.19 - Pormenor das tensões aos terminais do motor eléctrico em vazio durante a transição da

velocidade angular.



Funcionamento do Motor Eléctrico em Carga

Tal como na simulação do motor eléctrico em vazio foi utilizada uma tensão no

barramento CC de 320 V para simulação do motor em carga. A carga utilizada na

simulação apresentava um binário de 10 Nm. Nas próximas figuras são apresentados os

resultados das simulações para duas velocidades angulares de operação do motor

eléctrico em carga, tal como na simulação do motor eléctrico sem carga. Ou seja entre 0

e 1,5 s a velocidade de referência é de 40 rad/s e a partir de 1,5 s a velocidade de

referência passa a ser de 80 rad/s.

A Figura 4.20 apresenta a velocidade angular de referência e a velocidade angular

de operação do motor eléctrico quando este está acoplado a uma carga que solicita um

binário de 10 Nm. Pode-se verificar que o tempo de resposta à velocidade angular

pretendida é superior no arranque do que na fase de transição entre velocidades

angulares, uma vez que no inicio o motor arranca com velocidade nula.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-20

0

20

40

60

80

100

Tempo(s)

Ve

loc

ida

de

(ra

d/s

)

velocidaderef

velocidade

Figura 4.20 - Velocidade de referência e velocidade de operação do motor eléctrico em carga.

A Figura 4.21 apresenta as referências de tensão criadas pelo sistema de controlo,

cujas tensões devem ser produzidas pelo Inversor. Na Figura 4.22 está apresentado o

pormenor da transição de um valor de velocidade angular para outro. Tal como ocorre

na simulação do motor eléctrico sem carga, é possível verificar o desfasamento de 120º

entre as referências, bem como a sequência de fases.




0.5 1 1.5 2 2.5

-5

0

5

Tempo(s)

Varef

Vbref

Vcref

Figura 4.21 - Referências de tensão aplicadas ao Inversor para controlar o motor eléctrico em carga para

duas referências de velocidade.

1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65

-4

-2

0

2

4

Tempo(s)

Varef

Vbref

Vcref

Figura 4.22 - Pormenor da transição entre velocidades angulares do motor eléctrico em carga.

Na Figura 4.23 são apresentadas as formas de onda da corrente consumida pelo

motor eléctrico com carga. Na Figura 4.17 é apresentado o pormenor das correntes

consumidas durante a transição da velocidade angular. Como era de esperar, as

correntes nesta simulação são superiores às correntes de simulação do motor eléctrico

em vazio, uma vez que o motor eléctrico agora tem de accionar a carga com binário de

10 Nm que está acoplada a ele. Mais uma vez ocorre durante a mudança de velocidades

angulares uma fase transitória com correntes elevadas. E novamente observa-se que as

correntes apresentam formas de onda sinusoidais equilibradas e desfasadas entre si de

120º.



0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-100

-50

0

50

100

Tempo(s)

Co

rre

nte

(A)

ia

ib

ic

Figura 4.23 - Correntes consumidas pelo motor eléctrico em carga para duas referências de velocidade.

1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

Tempo(s)

Co

rre

nte

(A)

ia

ib

ic

Figura 4.24 - Pormenor nas correntes consumidas pelo motor eléctrico em carga durante a transição da

velocidade angular.

A Figura 4.25 apresenta as tensões compostas existentes aos terminais do motor

eléctrico com carga. Na Figura 4.26 é apresentado o pormenor das tensões compostas

aos terminais do motor eléctrico durante a alteração da velocidade angular. Mais uma

vez verifica-se o aumento da frequência e da amplitude das tensões aplicadas ao motor.

0.5 1 1.5 2 2.5

-20

-10

0

10

20

Tempo(s)

Te

ns

ão

(V)

Vab

Vbc

Vca

Figura 4.25 - Tensões compostas aos terminais do motor eléctrico em carga para duas referências de

velocidade.




1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75

-20

-10

0

10

20

Tempo(s)

Te

ns

ão

(V)

Vab

Vbc

Vca

Figura 4.26 - Pormenor nas tensões aos terminais do motor eléctrico em carga durante a transição da

velocidade angular.

4.5. Conclusão

Neste capítulo foram apresentados os modelos de simulação do sistema de

controlo do motor a aplicar no veículo eléctrico, bem como os resultados obtidos a

partir dos mesmos.

O programa de simulação escolhido foi o MATLAB uma vez que o modelo do

motor síncrono de ímanes permanentes disponível nesse programa é praticamente igual

ao do motor de fluxo axial escolhido para o veículo eléctrico, diferenciando-se deste

apenas na expressão do binário.

Inicialmente foram cálculadas as transformadas inversas de Clarke e Park, bem

como as transformadas de Clarke e Park, as quais mostraram resultados dentro dos

previstos.

Seguidamente foi simulado o sistema de controlo, de duas formas distintas:

simulação do sistema de controlo para o motor eléctrico em vazio e simulação do

sistema de controlo para o motor eléctrico em carga.

Na simulação do sistema de controlo para o motor eléctrico em vazio verificou-se

que o motor eléctrico tem consumo de correntes sinusoidais e equilibradas.

Por fim, na simulação do sistema de controlo para o motor eléctrico em carga, foi

utilizada uma carga com binário de 10 Nm. Mais uma vez foi verificado que o motor

eléctrico apresenta um consumo de correntes sinusoidais e equilibradas.

Pode-se concluir que as simulações realizadas foram úteis para validar o modelo

do motor eléctrico escolhido para o veículo eléctrico, bem como para ajustar os ganhos

proporcionais e integrais utilizados no sistema de controlo, de forma a optimizá-lo.



CAPÍTULO 5

Implementação

5.1. Introdução

Neste capítulo é descrita a implementação do sistema electrónico do veículo

eléctrico. Numa primeira fase é apresentada a implementação do circuito de controlo, é

abordado o tipo de sensores utilizados, o condicionamento de sinal, os circuitos de

comando, o DSP/microcontrolador e a fonte de alimentação do circuito de controlo. Em

seguida é abordado o circuito de potência, onde está contido o inversor, o banco de

condensadores, a fonte de alimentação e o contactor geral.

Tanto para o sistema de controlo como para o sistema de potência, todos os

circuitos implementados foram previamente montados e testados em breadboard.

Depois de validados, procedeu-se ao projecto dos esquemáticos num software de

desenho de PCBs, neste caso o Eagle. As placas finais foram feitas nas oficinas do

Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do Minho.

A placa do conversor digital analógico e a placa de protecção à gate dos IGBTs já

se encontravam construídas, apenas tendo sido necessário proceder às suas montagens.

São ainda apresentadas as primeiras alterações mecânicas feitas no carro para a

instalação do motor eléctrico.

5.2. Sistema de Controlo

O Sistema de Controlo implementado para o controlo do motor necessita do valor

instantâneo das correntes consumidas pelo motor, da corrente que as baterias estão a

fornecer/absorver, da tensão nas baterias, da posição do rotor do motor e da posição do

acelerador e do travão. Este sistema é também responsável pela actuação da bomba

circuladora de auxílio à refrigeração do motor, da ventilação do inversor, do contactor

geral do sistema, bem como por enviar informações ao utilizador, através do LCD e/ou

pelo conversor digital analógico.

Seguidamente são explicados os circuitos constituintes do sistema de controlo e os

circuitos auxiliares ao sistema de controlo.

5.2.1. Sensor de Corrente

Para efectuar as medições das correntes, quer no motor quer nas baterias, são

Capítulo 5 – Implementação


utilizados sensores de efeito Hall. Este tipo de sensores é escolhido pelas características

que apresentam: medição de corrente contínua e alternada, e saída do sinal medido em

corrente. Isso torna-os praticamente imunes ao ruído electromagnético que possa

aparecer devido à comutação do inversor.

A escala de medição do sensor foi escolhida a partir da corrente nominal do

motor, ou seja 113,5 A. O sensor escolhido foi o LA 200-P da LEM, representado na

Figura 5.1. Este sensor permite medir correntes até 200 A (RMS), com uma elevada

precisão e linearidade, apresentando um erro de ±0,4% no final de escala e uma largura

de banda até aos 100 kHz [88].

Figura 5.1 – Sensor de corrente LA 200-P da LEM [89].

A saída em corrente apresenta uma razão de conversão de 1:2000. Para que o

valor da corrente possa ser medido pelo ADC do DSP/microcontrolador, é necessário

colocar uma resistência de medida (RM) à saída do sensor, como se pode observar na

Figura 5.2. Esta resistência de medida deve estar o mais próximo possível do ADC, de

forma a minimizar erros de medição.

Figura 5.2 - Esquema de ligações do sensor LA 200-P da LEM.

A resistência de medição, RM, deve ser projectada de forma a ter um valor tal que

aos seus terminais apareça um nível de tensão na gama desejada para a medida. Como o

DSP/microcontrolador trabalha com a tensão de entrada entre 0 e 3 V, o valor de RM

deve ser ajustado de forma que a tensão que aparece aos seus terminais seja entre 0 e

3 V. Deve-se ter o cuidado de verificar se o valor de RM está entre os valores de medida

aconselhados pelo fabricante [88].

De seguida são apresentadas as equações que permitem obter o valor da

resistência RM.

2000

RMS entrada

RMS saída

II (5.1)




.RMS medida RMS saída MV I R (5.2)

Foram efectuados os cálculos seguintes de forma que os sensores medissem

correntes de 200 A de pico:

200100

2000RMS saídaI mA

1,515

100MR

m

O valor de RM calculado pode ser aplicado para medição, pois encontra-se dentro

dos valores recomendados pelo fabricante.

Para o motor apenas foram utilizados dois sensores de corrente em vez de três

(Figura 5.3), uma vez que o motor se comporta como um sistema equilibrado. Para a

medição da corrente nas baterias utilizou-se o mesmo valor de RM.

Figura 5.3 – Placa dos sensores de corrente.

5.2.2. Sensor de Tensão

Para efectuar a medição da tensão nas baterias é também utilizado o sensor de

efeito Hall, pelas mesmas razões que levaram a escolher os sensores de corrente.

O sensor de tensão é escolhido da mesma forma que o sensor de corrente, ou seja,

pela tensão máxima das baterias (322 V). O sensor escolhido foi o LV 25-P da LEM,

representado na Figura 5.4. Este sensor permite medir tensões até 500 V (RMS), com

uma elevada precisão e linearidade, apresentando um erro de ±0,9% no final de escala

[90].

Figura 5.4 – Sensor de tensão de efeito Hall LV 25-P da LEM [91].



A sua saída em corrente apresenta uma razão de conversão de 2500:1000. Tal

como nos sensores de corrente o valor da tensão tem que estar na gama de medida do

ADC do DSP/microcontrolador, ou seja, o valor da tensão aos terminais da resistência

RM (Figura 5.5) tem que estar entre 0 e 3 V. Esta resistência deve estar o mais próximo

possível do ADC, e deve encontrar-se entre os valores de medida aconselhados pelo

fabricante, tal como nos sensores de corrente [90].

Figura 5.5 - Esquema de ligações do sensor LV 25-P da LEM.

Neste sensor, para além da resistência de medida RM, é também necessário

calcular o valor de R1. Esta resistência é calculada de forma a garantir que a corrente

que passa no sensor não seja superior a 10 mA. Deve-se ter o cuidado de calcular

também o valor da potência dissipada, uma vez que aos seus terminais de cada uma

delas está metade da tensão medida.

De seguida são apresentadas as equações que permitem obter o valor da

resistência RM, R1 e sua potência.

12

RMS entrada

RMS entrada

VR

I (5.3)

1

2

1R RMS entradaP R I (5.4)

2500

1000RMS medida RMS entrada MV I R (5.5)

Os cálculos seguintes foram efectuados de forma que o sensor medisse uma

tensão máxima de 400 V de pico.

1 3

40020

2 10R k

1

2320 10 2RP k W

3

3120

2,5 10MR

O valor de RM calculado pode ser aplicado para medição, pois mais uma vez

encontra-se dentro dos valores recomendados pelo fabricante.




Na Figura 5.6 é apresentada a placa de medição da corrente e da tensão das

baterias.

Figura 5.6 – Placa com sensor de tensão e corrente.

5.2.3. Sensor de Posição

Como é referido no Capítulo 2, existem vários tipos de sensores de posição, tendo

sido escolhido o RMB28SC da RLS (Figura 5.7). Este sensor é do tipo Hall OnAxis e

está configurado para comunicação SSI de 11 bits, o que faz com que o motor possa

rodar no máximo a 10.000 rpm, apresentando um desvio máximo de ±0,4º [50].

Figura 5.7 – Sensor de posição RMB28SC.

A comunicação entre o DSP/microcontrolador e o sensor é feita pelo protocolo

SPI do DSP/microcontrolador. Esta comunicação só foi possível devido ao facto de o

protocolo SPI do DSP/microcontrolador permitir a escolha do número de bits da

comunicação. Para fazer a adequação de sinais entre o DSP/microcontrolador e o sensor

de posição foi utilizado o integrado SN65LBC170 da Texas Instrument.

5.2.4. Sensor de Posição do Acelerador

Como sensor de posição do acelerador é utilizado um acelerador electrónico já

existente. É utilizado o acelerador de um Renault Clio de 2001 (Figura 5.8). Foi

necessário fazer o levantamento das suas ligações internas, tendo-se desmontado o

mesmo como mostra a Figura 5.9, observando-se que se trata de um potenciómetro de

escala linear.



Figura 5.8 – Acelerador de um Renault Clio.

Figura 5.9 – Acelerador desmontado.

5.2.5. Placa de Entradas

A placa de entradas, apresentada na Figura 5.10, é utilizada para adequar os níveis

de tensão de 5 V aos níveis de tensão de 3,3 V compatíveis com a entrada do

DSP/microcontrolador.

Esta placa é responsável pela interligação dos comandos com o

DSP/microcontrolador, como por exemplo, sentido de rotação do motor, ignição e

outras entradas que possam vir a ser necessárias, até no máximo de oito comandos.

Figura 5.10 – Placa de Entradas.

5.2.6. Placa de Saídas

A placa de saídas, mostrada na Figura 5.11, é utilizada para ligar a ventilação do




inversor, a refrigeração do motor, o contactor geral, bem como outros dispositivos que

possam vir a ser necessários, até ao máximo de oito saídas.

Figura 5.11 – Placa de Saídas.

5.2.7. Circuito de Condicionamento de Sinal

O circuito de condicionamento de sinal é responsável pelo ajuste do valor

instantâneo das correntes medidas no motor e na bateria, da tensão das baterias e da

posição do acelerador, de forma a torná-los compatíveis com os ADCs do

DSP/microcontrolador. Este circuito já se encontra preparado para receber mais um

sinal de corrente e outro de tensão para quando for implementada a travagem

regenerativa, bem como para medir a posição do travão. Na Figura 5.12 pode ser vista a

implementação do circuito de condicionamento de sinal.

Figura 5.12 – Placa de Condicionamento de Sinal.

As resistências de medida, calculadas anteriormente para os sensores, encontram-

se nesta placa. Esta placa permite o ajuste do ganho e a soma de uma componente DC

aos sinais alternados provenientes dos sensores, para que o sinal final esteja

compreendido entre os 0 e 3 V. Os sensores de tensão não necessitam destes ajustes

uma vez que a tensão das baterias tem sempre a mesma polaridade.



Nas saídas existe um circuito de protecção composto por um diodo zenner e por

uma resistência, de forma a não permitir que a tensão à entrada do ADC seja superior a

3 V. À entrada dos ADCs cada sinal é filtrado com um filtro passa baixo de forma a

reduzir o ruído das comutações.

Todos os sinais medidos chegam à placa de condicionamento de sinal por cabos

blindados, de forma a proteger os sinais de eventuais interferências. O mesmo

procedimento acontece para o cabo de saída entre esta placa e o DSP/microcontrolador.

Neste caso a utilização de cabos blindados é fundamental, uma vez que os sinais em

tensão são mais vulneráveis a interferências electromagnéticas. Outra forma de se

reduzir estas interferências é tornar a ligação o mais curta possível.

5.2.8. Circuito de Comando

O circuito de comando, apresentado na Figura 5.13, têm a função de adequar as

saídas PWM do DSP/microcontrolador aos drives de accionamento do inversor, ou seja,

adequar a tensão de saída do DSP/microcontrolador (0 e 3 V) à tensão de entrada dos

drives (0 e 5 V).

Figura 5.13 – Circuito de Comando.

Para além desta função o circuito também é responsável pela gestão de erros que

possam existir. Recebe um sinal de erro de cada drive, sempre que existe algum

problema com a comutação e um sinal de erro de cada dissipador, por excesso de

temperatura. A placa possui uma entrada de enable que é imediatamente desactivada

quando acontece algum erro, forçando a paragem das comutações no inversor. O rearme

da entrada de enable é efectuado pelo DSP/microcontrolador.

O DSP/microcontrolador recebe e processa os erros de forma a informar o

utilizador do tipo de erro ocorrido. A placa de Circuito de Comando já se encontra




preparada para controlar mais dois semicondutores.

5.2.9. Circuito do Conversor Digital Analógico

Um conversor digital analógico (DAC - Digital to Analog Converter) é uma peça

fundamental quando se está a testar um sistema, pois permite a monitorização de

variáveis internas. Como o DSP/microcontrolador escolhido não possui nenhum DAC,

foi necessário utilizar um DAC externo ao DSP/microcontrolador.

É utilizada uma placa, desenvolvida no Laboratório de Electrónica de Potência da

Universidade do Minho, com um DAC7624U da Burr Brown, que possui uma entrada

digital de 12 bits e quatro saídas analógicas com tensão variável entre -2,5 V e 2,5 V.

Esta placa (Figura 5.14) também tem um circuito amplificador que eleva a tensão das

saídas do DAC para a gama entre 0 a 5 V.

Figura 5.14 – Placa do DAC.

5.2.10. LCD

Para mostrar ao utilizador informações sobre o estado do veículo eléctrico é

utilizado um LCD (Display de Cristal Líquido). Nele são mostradas informações, como

por exemplo, o estado das baterias, informações de erros, consumo instantâneo de

corrente, etc. Em fase de testes/debug pode ser utilizado para mostrar o estado de

algumas variáveis internas.

O LCD utilizado é o apresentado na Figura 5.15, e possui quatro linhas de

mensagens, cada uma com 20 caracteres, com retro iluminação.

Figura 5.15 – LCD.



5.2.11. Fonte de Alimentação

A fonte de alimentação, representada na Figura 5.16, é projectada para adequar a

tensão das baterias à tensão de todas as partes constituintes do sistema de controlo.

Figura 5.16 – Fonte de alimentação do Sistema de Controlo.

É constituída por duas fontes isoladas, uma para alimentar os circuitos de 5 V

(TEN 25-2411), como por exemplo o DSP/microcrontrolador, a outra para alimentar os

sensores de corrente, tensão e drives dos IGBTs que necessitem das tensões ±15 V

(TEN 30-2423).

5.2.12.DSP/Microcontrolador

Para a implementação do sistema de controlo utiliza-se o DSP/microcrontrolador

TMS320F2812 da Texas Instruments. Este apresenta como características principais a

aquisição em simultâneo de 16 canais de conversão ADC de 12 bit, frequência de clock

até 150 MHz, memoria flash de 128 k x 16, memoria RAM de 18 k x 16, memoria OTP

ROM de 1k x 16, interface para memória externa, periféricos de controlo com dois

geradores de eventos (EVA e EVB), 3 timers de 32 bits, watchdog timer, CPU com

capacidade de processar sinais de 32 bits, interface JTAG (Joint Test Action). Contém

até 56 pinos de I/O e uma arquitectura Harvard, que permite ao CPU executar em

paralelo instruções e dados [92].

Na Figura 5.17 pode-se observar os vários módulos que compõem o

DSP/microcontrolador, bem como a interligação entre eles.




Figura 5.17 - Diagrama de blocos dos módulos internos que constituem o DSP/microcontrolador

TMS320F2812 da Texas Instruments [93].

O DSP/microcontrolador escolhido possui vários pinos que podem funcionar

como entrada/saída, ou como periféricos. Foi utilizado o gerador de eventos EVA, para

a implementação dos sinais de PWM a serem utilizados no inversor. O

DSP/microcontrolador possui também um gerador de onda triangular, que neste caso é

configurado para uma frequência de 8 kHz, sendo apenas necessário colocar as

referências calculadas por software nos registos de comparação, CMPR1, CMPR2 e

CMPR3.

Foram utilizados 8 ADCs para a aquisição dos sinais provenientes do circuito de

condicionamento de sinal: dois para as correntes do motor, um para a corrente das

baterias, um para a tensão das baterias, um para a posição do acelerador, um para a



posição do travão, e por fim os dois restantes para a corrente e tensão, para quando se

implementar a travagem regenerativa

Figura 5.18 – Placa do DSP/microprocessador TMS320F2812.

A placa apresentada na Figura 5.18 foi desenvolvida no Laboratório de

Electrónica de Potência do Departamento de Electrónica Industrial da Universidade do

Minho, tendo como base o DSP TMS320F2812. A comunicação entre o PC e o

DSP/microprocessador é feita pelo programador XDS510LC da Spectrum Digital

(Figura 5.19), que permite a programação do DSP/microprocessador e Debug do

programa no DSP/microprocessador.

Figura 5.19 – Programador XDS510LC da Spectrum Digital.

O software de programação utilizado para a programação do

DSP/microprocessador foi o Code Composer da Texas Instruments. Na Figura 5.20 é

apresentado o ambiente de programação do software Code Composer, o qual permite a

criação de novos programas na linguagem C, bem como a compilação dos programas.

Por outro lado também permite a execução, debug e visualização da evolução das

variáveis, através de janelas próprias do Code Composer.




Figura 5.20 - Ambiente gráfico do Code Composer.

5.3. Circuito de Potência

O diagrama multifilar do circuito de potência implementado está representado na

Figura 5.21, sendo composto pelo inversor trifásico, por duas fontes de alimentação,

uma vez que o barramento CC do inversor pode ser alimentado por baterias ou pela rede

eléctrica, qualquer que seja a alimentação escolhida existe circuitos de pré-carga do

barramento CC.



Rede Eléctrica Selecção da

Fonte

Pré-Carga

do lado CC

Inversor e Banco de condensadores do lado CC

Baterias

Pré-Carga

Automática

Tranforma-

dores

Ponte Rectifica-

dora e Banco de

Condensadores

Contactor

Principal

KM1

KM2

KM3

KM4

KM5

M

Fuse

Figura 5.21 - Diagrama multifilar do Circuito de Potência.

5.3.1. Inversor

O inversor implementado é composto por três módulos de IGBTs, do tipo

SKM200GB126D da Semikron. Cada módulo é composto por dois IGBTs. O valor

máximo de tensão colector-emissor (VCE) de cada IGBT é de 1200 V, e o de corrente é

260 A, embora o díodo reverso apenas suporte correntes até 200 A. Este módulo

permite correntes de curto-circuito até seis vezes a nominal, sendo aconselhável

trabalharem numa frequência de comutação por volta dos 8 kHz [94]. Na Figura 5.22 é

apresentado o módulo SKM200GB126D e o seu respectivo esquemático.

Figura 5.22 - Módulo de IGBTs SKM200GB126D e respectivo esquemático [95].




A cada módulo de IGBTs está associado um drive, tendo sido escolhido o

SKHI 22B H4, também da Semikron. Este drive é responsável pela interface entre o

circuito de comando e o módulo de IGBTs, e oferece protecção contra curto-circuitos,

deadtime e isolamento eléctrico, entre o circuito de potência e o circuito de comando,

impedindo assim que problemas no sistema eléctrico se propaguem para o sistema de

controlo.

Internamente o drive está dividido em duas partes, primário e secundário,

garantindo assim o isolamento eléctrico entre elas por transformadores de pulso. No

lado do primário temos os sinais vindos do circuito de comando e no lado do secundário

temos as ligações ao módulo de IGBTs. Na Figura 5.23 é apresentado o drive

SKHI 22B H4 e o seu respectivo esquemático.

Figura 5.23 – Drive SKHI 22B H4 e respectivo esquemático [96].

Na Figura 5.24 está a placa desenvolvida para o drive. Esta placa já contém as

resistências de gate necessárias. Como ainda existiam contactos disponíveis na ficha

DB9 da placa do Drive, utilizou-se o mesmo cabo blindado que une a Placa de

Condicionamento de Sinal ao drive, para enviar o sinal de erro de temperatura de cada

dissipador, correspondente ao módulo de IGBTs que o drive estava a actuar.

Figura 5.24 – Placa de drive: Vista inferior, à esquerda; Vista superior, à direita.



Entre o lado secundário do drive e o módulo de IGBTs existe uma pequena placa

(Figura 5.25) constituída por dois zenners e uma resistência, como se pode observar no

esquemático da Figura 5.26, de forma a garantir que a tensão entre a gate e o emissor do

IGBT não seja superior à recomendada [97].

Figura 5.25 – Placa de Protecção à gate.

D1

D2

R1

GND

gate_1

Figura 5.26 – Esquemático da placa de protecção à gate.

Na Figura 5.27 é apresentado o aspecto final do inversor, onde os módulos já se

encontram montados no dissipador, e ligados entre si com fita de cobre para fazer as

ligações comuns dos módulos. Também já possui aos terminais de cada módulo os

condensadores de snubber de 1 µF, 400 V.




Figura 5.27 – Aspecto final do Inversor.

Para validar o Circuito de Comando e verificar se o inversor está a funcionar

correctamente, é efectuado um ensaio em malha aberta do Inversor, ou seja, sem

qualquer tipo de realimentação de valores vindos dos sensores.

Este ensaio consiste em sintetizar três tensões sinusoidais desfasadas entre si de

120º. Estas formas de ondas são criadas a partir de um array de valores guardados em

memória no programa criado para realizar este teste.

A Figura 5.28 apresenta as formas de ondas sintetizadas pelo inversor. Como

carga são utilizadas seis resistências (230 V, 26 Ω), ligadas em estrela na saída do

inversor. O teste é realizado com uma tensão do barramento CC de 127 V. Os sensores

de corrente utilizados na medição têm uma escala de 10 mV/A.



Figura 5.28 – Tensão (à esquerda) e corrente (à direita) sintetizadas pelo Inversor.

Com a variação da amplitude das ondas sinusoidais calculadas, é também possível

verificar a linearidade do inversor, como se pode verificar na Figura 5.29. Os valores do

eixo das abcissas são referentes à amplitude das sinusóides criadas pelo

DSP/microcrontrolador para a tensão de referência do inversor, no eixo das coordenadas

é apresentado o valor de pico da tensão sintetizada pelo Inversor.

Figura 5.29 – Linearidade do inversor.

Este ensaio também foi útil para verificar se o deadtime configurado no

DSP/microcontrolador, estava correcto. Na Figura 5.30 pode-se verificar o deadtime

entre IGBTs do mesmo ramo. Os módulos de IGBTs usados têm um deadtime mínimo

de 540 ns [95]. O deadtime implementado foi de 5 µs.




Figura 5.30 - Deadtime implementado entre IGBTs do mesmo ramo.

5.3.2. Fonte de Alimentação

A fonte de alimentação final deste trabalho vai ser constituída por baterias, uma

vez que este sistema está pensado para ser implementado num veículo eléctrico.

Contudo, nesta fase de testes em bancada, existe a opção de seleccionar o tipo de fonte

de alimentação entre baterias ou a rede eléctrica (com transformadores, rectificadores e

condensadores para a filtragem da tensão).

Baterias

Para alimentar o inversor existe a possibilidade de utilizar as baterias já existentes

no laboratório, que podem ser vistas na Figura 5.31. Ao todo são vinte e quatro baterias

WCG-U1 da POWER. Cada uma tem uma tensão nominal de 12 V, 33 Ah, permitindo

uma descarga de 245 A durante um minuto [98].

As baterias estão associadas em série, obtendo-se uma tensão nominal de 288 V e

uma corrente de 33 Ah, com uma potência total de 9,5 kW durante uma hora.

Figura 5.31 – 24 baterias, WCG-U1 da POWER.



Rede Eléctrica

Devido às baterias terem um número de ciclos de vida curto, e de ser necessário

esperar o tempo que demoram a carregar, optou-se por usar a rede eléctrica como outra

fonte de alimentação para o inversor.

Para implementar a fonte de alimentação a partir da rede eléctrica, foram

utilizados três transformadores monofásicos de 5 kVA(Figura 5.32), com 4 taps de

saída, com a entrada e saída ligadas em estrela. À saída dos transformadores é ligada

uma ponte rectificadora e um banco de condensadores. Os condensadores utilizados são

os B43456-A5108-M da EPCOS, com tensão nominal de 450 V, capacidade nominal de

1000 μF ± 20 % e uma corrente de ripple de 13 A [99]. Os condensadores são

associados em paralelo de forma a construir uma capacidade total de 10 mF.

Para eliminar a corrente de inrush, que aparece na maior parte das vezes quando

se liga os transformadores, bem como o pico de corrente inicial dos condensadores do

barramento CC, montou-se um sistema de pré-carga automática, como se pode ver na

Figura 5.21.

Figura 5.32 – Os três transformadores utilizados na fonte de alimentação.

5.3.3. Banco de Condensadores do Lado CC do Inversor

Os condensadores utilizados no lado CC do Inversor (Figura 5.33) apresentam as

mesmas características dos condensadores utilizados na rectificação da fonte de

alimentação, diferem apenas na tensão suportada (400 V). A corrente de ripple neste

caso é importante, uma vez que é influenciada pela temperatura ambiente e frequência

de comutação. Se os condensadores estiverem sujeitos a correntes de ripple acima dos

valores recomendados pelo fabricante, acabam por se deteriorar.




Figura 5.33 – Banco de condensadores do lado CC do Inversor.

Neste caso os condensadores foram associados em série e paralelo, para se poder

ter acesso ao ponto intermédio do barramento CC. Quando existe a associação de

condensadores em série, é necessário colocar resistências (47 kΩ) de equalização, de

modo a permitir que a tensão aos terminais de cada condenador seja igual em todos.

5.3.4. Contactor Geral e Fusível

O contactor geral escolhido foi o LP1 D80004BD da Schneider Electric, este

contactor tetrapolar é de 80 A por contacto, permitindo fazer o paralelo de dois

contactos, aumentando assim a corrente suportada para os 160 A. A sua bobine é

alimentada a 24 V DC, sendo feita a sua alimentação pela Placa de Saídas.

Também é utilizado um fusível de 125 A, de forma a proteger o motor contra

sobre correntes.

Figura 5.34 – Contactor geral e fusível.

5.4. Carro Escolhido para a Conversão

O carro escolhido para a conversão em veículo eléctrico foi um Volkswagen Polo

de Fevereiro de 1996 (Figura 5.35), após ter sido feita uma selecção de potenciais carros

para a conversão, como por exemplo: Fiat Uno de 1990, Nissan micra de 1993, Citroen

AX de 1990, entre outros da mesma gama. Após a realização da Tabela 12 chegou-se à

conclusão que o Volkswagen Polo seria o melhor para efectuar as alterações



pretendidas. Os critérios de escolha foram baseados no peso máximo admissível pelo

carro, peso total dos ocupantes, peso total das baterias, e peso do sistema de conversão a

implementar.

Figura 5.35 - Volkswagen Polo escolhido para a conversão em Veículo Eléctrico.

Tabela 12 – Selecção de potenciais carros para a conversão.

Modelo do carro

Peso nominal

(kg1)

Peso máximo

(kg)

Peso motor

combustão interna

(kg)

Peso dos ocupantes

(kg)

Peso das

baterias (kg)

Peso dos componentes electrónicos

(kg)

Peso Total Disponível

(kg)

Citroen AX 750 1180 100 280 280,6 46 -76,6

Volkswagen Polo

850 1375 100 280 280,6 46 18,4

Fiat Uno 729 1220 100 280 280,6 46 -15,6

Fiat Punto 832 1300 100 280 280,6 46 -38,6

Nissan Micra

800 1290 100 280 280,6 46 -16,6

Para a realização da Tabela 12 foi considerado que o valor aproximado do peso

dos motores de combustão interna anda por volta dos 100 kg, e para os ocupantes foram

considerados 4 ocupantes com valor médio de peso de 70 kg. O peso das baterias é dado

em função das baterias escolhidas para a conversão, e no peso dos componentes

electrónicos é incluído também o peso do motor eléctrico, do inversor, das placas PCBs,

da cablagem, entre outros. O “peso total disponível” refere-se à diferença entre o valor

1 Apesar de kg ser uma unidade de massa, e não de peso, esta tabela segue a nomenclatura

adoptada pelos fabricantes de automóveis.




máximo de peso permitido pelos fabricantes do carro e o peso final do veículo após a

conversão, através do qual se pode concluir que o Volkswagen Polo é o único que se

apresenta dentro dos valores permitidos pelo fabricante do carro.

O processo de substituição do motor de combustão interna pelo motor eléctrico já

se encontra em desenvolvimento. O motor de combustão interna já foi retirado do carro

(Figura 5.36), assim como os seus componentes auxiliares: depósito de combustível,

escape e caixa de velocidades.

Figura 5.36 – Frente do carro já com o motor e caixa de velocidades retirados, à esquerda; motor de

combustão interna retirado, à direita.

As baterias vão ser distribuídas por duas zonas do carro. Uma parte das baterias

vai ser colocada no local anteriormente ocupado pelo motor de combustão interna, e a

outra parte vai ser colocada, numa caixa a construir para o efeito, no porta bagagens do

carro (Figura 5.37).

Figura 5.37 – Porta bagagens do carro onde vão ser colocadas algumas baterias.

A instalação do motor eléctrico no carro vai ser feita em duas etapas. Numa

primeira etapa o motor eléctrico vai estar ligado à caixa de velocidades através da

embraiagem, do mesmo modo que a configuração apresentada na Figura 2.6(a). Na

segunda etapa o motor eléctrico vai ser ligado directamente à caixa de velocidades,

funcionando esta como caixa redutora, que consiste no tipo de configuração apresentada

na Figura 2.6(b).



5.5. Conclusão

Ao longo deste capítulo foi descrita a implementação do sistema electrónico do

veículo eléctrico. Foram apresentadas as características e funções de cada um dos

elementos constituintes do sistema de controlo e de potência. Na Figura 5.38 pode ver-

se, o aspecto final do sistema electrónico do veículo eléctrico em bancada.

Devido à complexidade do hardware existente, optou-se por testar os circuitos em

separado. Inicialmente fez-se o teste à fonte de alimentação apresentada no item 5.2.11,

verificou-se que as tensões geradas estão dentro dos valores pretendidos. Por outro lado

quando opera com carga eléctrica verificou-se que a tensão fica abaixo da esperada. A

fonte que alimenta o DSP/microcontrolador, apresenta um ripple elevado, fazendo com

que em determinados momentos o DSP/microcontrolador deixasse de funcionar

correctamente. De seguida testou-se a placa de drives do inversor e o circuito de

comando, apresentado todas um bom funcionamento. Também foi testado o circuito de

condicionamento de sinal, inicialmente com um gerador de sinais para ajustar os

potenciómetros de valor médio e de ganho do sinal. Por fim foi testado o inversor. Com

o teste do inversor foi possível fazer o ajuste fino dos potenciómetros do circuito de

condicionamento de sinal, uma vez que na saída do inversor estava ligada uma carga

resistiva de consumo conhecido.

Após a implementação do sistema electrónico do veículo eléctrico, pode-se

concluir, que para a realização de trabalhos deste tipo, é necessário ter conhecimentos

em várias áreas da electrónica, tais como, electrónica de potência, instrumentação e

medição, electrónica, programação de DSP/Microcontroladores e conhecimento em

softwares de desenvolvimento de PCBs.

Foram ainda apresentadas as primeiras alterações mecânicas necessárias à

conversão. Já foram retirados os componentes mecânicos do carro que não serão

necessários para o veículo eléctrico, desde o motor de combustão interna, escape e

depósito de combustível.

Já está em estudo a forma de colocar o motor eléctrico, assim como as baterias no

carro, de forma a estabilizar o mesmo.




Figura 5.38 - Aspecto final do sistema electrónico do veículo eléctrico em bancada.

Pré-Carga

Automática

Sistema de

controlo

Ponte Rectificadora e

banco de

condensadores

Inversor

Selecção

da fonte



CAPÍTULO 6

Resultados Experimentais

6.1. Introdução

Neste capítulo são apresentados os resultados experimentais obtidos no ensaio do

motor eléctrico escolhido (Motor Síncrono de Ímanes Permanentes de fluxo axial de

30 kW, topologia AFIR-S) a funcionar como gerador e os primeiros testes realizados ao

sistema de controlo de velocidade implementado para o motor.

6.2. Ensaio do Motor Eléctrico como Gerador

Para realizar o teste ao motor eléctrico a funcionar como gerador foi-lhe acoplado

um motor de indução também alimentado por um variador electrónico de frequência,

conforme mostra a Figura 6.1. Este ensaio foi realizado com o intuito de verificar as

ligações dos enrolamentos dos dois estatores de forma a se proceder à sua ligação em

paralelo. Este ensaio permitiu ainda validar o funcionamento do sensor de posição do

motor e a rotina de cálculo da velocidade do motor eléctrico, implementada no

DSP/microcrontrolador.

Variador electrónico de

frequência

Motor de Indução

Motor eléctrico utilizado no

trabalho

Figura 6.1 – Montagem efectuada para realizar o teste ao motor eléctrico a funcionar como gerador.

A Figura 6.2 apresenta as formas de onda das tensões compostas aos terminais de

cada enrolamento dos estatores do motor eléctrico (este motor possui dois estatores e

um rotor). O ensaio do motor a operar como gerador permitiu que se identificassem os

diferentes enrolamentos e suas ligações, necessárias para se efectuar a ligação dos

Capítulo 6 – Resultados Experimentais


mesmos em paralelo.

vab_1 vbc_1 vca_1

vab_2 vbc_2 vca_2

Figura 6.2 – Tensão composta aos terminais dos dois estatores a uma velocidade de rotação de 500 rpm.

Já com os enrolamentos dos estatores ligados em paralelo foi realizado o ensaio

ao motor eléctrico de forma a obter os sinais das tensões compostas produzidas pelo

gerador, como se pode observar na Figura 6.3.

vbcvab vca

Figura 6.3 – Tensão composta aos terminais do motor a uma velocidade de 1000 rpm (com os dois rotores

em paralelo).

Na Figura 6.4 pode-se observar a forma de onda do sinal de saída do sensor de

posição do motor. Devido ao protocolo de comunicação utilizado pelo sensor de posição

não foi possível validar directamente a posição a partir da forma de onda do sinal à

saída do sensor de posição. A forma de onda do sensor de posição apresentada foi

obtida numa saída do DAC, depois de ajustado o protocolo. Na mesma figura também é

possível observar a comparação do sinal do sensor de posição com as tensões compostas

aos terminais dos enrolamentos do estator do motor.




vbcvab vca

Figura 6.4 – Comparação entre as tensões compostas do motor e a posição do rotor a uma velocidade de

500 rpm.

Por fim, o último ensaio realizado ao motor eléctrico a funcionar como gerador foi

utilizado para ver o comportamento do mesmo quando alimenta uma carga eléctrica.

Neste caso foi ligada uma carga equilibrada em triângulo, constituída por três

resistências com valor de 13 Ω. Os sensores de corrente utilizados apresentam uma

escala de 10 mV/A.

vbva vc

ibia ic

Figura 6.5 – Tensões e correntes à saída do motor a funcionar como gerador a uma velocidade de

500 rpm.

6.3. Resultados Experimentais do Sistema de Controlo do Motor

A Figura 6.6 apresenta os primeiros resultados experimentais do sistema de

controlo aplicado ao motor eléctrico para funcionamento em vazio. Para a realização

deste teste foi utilizada uma tensão no barramento CC de 160 V. Os sensores de

corrente utilizados para as medições têm uma escala de 10 mV/A. O desfasamento entre



a tensão de referência e a tensão aos terminais do motor eléctrico é devido ao filtro

digital implementado pelo osciloscópio. Essa filtragem realizada pelo osciloscópio é

essencial para ser ver a fundamental da tensão aplicada aos enrolamentos do estator,

uma vez que as tensões aplicadas ao motor são produzidas por PWM.

va_refia va

vb_refib vb

vc_refic vc

Figura 6.6 – Primeiros resultados experimentais do sistema de controlo aplicado ao motor eléctrico:

Fundamentais das tensões aplicadas ao motor e correntes no motor.

Para a realização dos ensaios experimentais em laboratório foi utilizada uma

bancada de testes (Figura 6.7), a qual é constituída por uma base onde se colocam os

motores para ensaio, e por um dinamómetro, de forma a ser possível medir o binário

produzido pelo motor eléctrico.

Figura 6.7 – Aplicação do motor eléctrico escolhido para o veículo eléctrico na bancada de testes para o

ensaio do binário produzido.




6.4. Conclusão

Os resultados obtidos no ensaio do motor eléctrico como gerador permitiram

confirmar que as tensões produzidas pelo motor ao operar como gerador são

sinusoidais. Indirectamente pode-se assumir que ao funcionar como motor, a força

contra-electromotriz produzida nos enrolamentos será também sinusoidal.

O ensaio do motor como gerador permite também confirmar as ligações dos

enrolamentos dos estatores.

Foram apresentados os resultados obtidos no accionamento com o sistema de

controlo aplicado ao motor. Devido a muitos imprevistos ocorridos durante a elaboração

do projecto não foi possível obter mais resultados do motor em funcionamento nestas

condições, nomeadamente: curto-circuitos entre pistas e o plano de massa das placas;

destruição de alguns módulos de IGBTs por picos de tensão aos seus terminais;

utilização de fontes de alimentação de baixa potência, entre outros de menor

importância mas que conjuntamente acabaram por trazer atrasos.

No entanto, é de realçar que estes imprevistos são normais em projectos de

investigação e desenvolvimento como o apresentado nesta dissertação. Uma vez que o

motor escolhido apresenta uma tecnologia recente, não havendo muita informação

acerca do motor.



CAPÍTULO 7

Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro

7.1. Conclusões

Ao longo da dissertação foi apresentado e descrito o desenvolvimento de um

veículo eléctrico a partir de um carro com um motor de combustão interna.

No capítulo 2, começou-se por fazer uma breve descrição sobre os três principais

tipos de veículos que utilizam a propulsão eléctrica nomeadamente: veículos eléctricos,

veículos híbridos e veículos a célula de combustível. Foram apresentados os principais

tipos de motores eléctricos mais usados nos veículos com sistemas de propulsão

eléctrica. Assim como os vários tipos de elementos armazenadores de energia para os

sistemas de propulsão eléctrica. Foram ainda enumeradas as principais normas que os

veículos com sistemas de propulsão eléctrica devem respeitar. Por fim descreveu-se o

processo de homologação de veículos eléctricos em Portugal.

No capítulo 3, foram apresentados os motores de fluxo axial com ímanes

permanentes e as suas principais topologias. Uma vez escolhida a topologia a utilizar na

conversão, de um veículo de combustão interna em veículo eléctrico, apresentou-se o

modelo equivalente do motor eléctrico de fluxo axial escolhido, bem como as suas

características e tipo de controlo a aplicar. Após uma comparação entre os motores de

fluxo axial e os motores de fluxo radial pôde-se concluir que de uma forma geral os

motores de fluxo axial são mais compactos em comparação com os motores de fluxo

radial, apresentando boas características para serem incorporados ou acoplados às rodas

de um veículo eléctrico. Estas características foram preponderantes para a escolha do

motor em causa para ser utilizado neste trabalho de dissertação.

No capítulo 4 mostrou-se a implementou-se um modelo de simulação para o

controlo do motor e foram apresentados os resultados obtidos a partir destas simulações

computacionais. Foram mostrados resultados desde a simulação das transformadas

necessárias ao controlo implementado, até ao ajuste dos ganhos dos controladores

implementados.

Uma vez simulado todo o sistema de controlo e accionamento do motor, passou-

se à implementação do sistema electrónico do veículo eléctrico, tendo sido apresentados

todos os elementos constituintes do sistema de controlo e do circuito de potência, que

são apresentados no capítulo 5.

Por último, no capítulo 6 foram apresentados os resultados experimentais obtidos

nos ensaios de funcionamento ao motor: primeiro a funcionar como gerador, o que

Capítulo 7 – Conclusões e Sugestões de Trabalho Futuro


permitiu descobrir as ligações necessárias à ligação em paralelo dos enrolamentos do

estator; numa segunda fase a funcionar como motor accionado com o sistema de

controlo implementado. Devido aos vários imprevistos que foram aparecendo ao longo

da implementação, não foi possível obter mais resultados até ao momento. Contudo,

uma vez que o projecto de desenvolvimento do veículo eléctrico vai continuar, prevê-se

obter os resultados prontos nos próximos meses.

Foram ainda apresentadas as primeiras alterações mecânicas realizadas no carro

para a conversão do mesmo de motor de combustão interna em veículo eléctrico.

Pode-se concluir que para a realização deste tipo de trabalho de dissertação é

necessário ter um bom conhecimento em várias áreas da electrónica, tais como,

electrónica de potência, instrumentação e medidas, electrónica analógica, Programação

de DSP/Microcontroladores, bem como o conhecimento em ferramentas de simulação e

desenvolvimento de PCBs.

Após o final desta dissertação chega-se à conclusão de que ainda existe muito

trabalho a ser feito, até se alcançar os resultados desejados para a conversão do carro.

Todos os sistemas electrónicos constituintes do veículo eléctrico já foram modelados,

dimensionados e construídos, contudo ainda falta todo o trabalho de montagem e testes

no carro. Além disso, ainda há algumas dificuldades a superar no controlo do motor,

embora o hardware já estava totalmente desenvolvido.

7.2. Trabalho Futuro

Os resultados obtidos ao final desta dissertação ainda precisam ser trabalhados, de

forma a se melhorar o sistema de controlo do motor eléctrico a ser implementado no

veículo eléctrico. Numa segunda parte do projecto irá ser ainda necessário realizar mais

simulações do sistema de controlo, de forma a se obter resultados nas simulações que

sejam os mais próximos possíveis da realidade. Os resultados obtidos a partir das

simulações devem ser validados na bancada de testes, em laboratório.

Todo o sistema desenvolvido para o veículo eléctrico pode ser optimizado em

termos de volume. Para isso o mesmo deve ser redesenhado de forma a juntar todas as

placas desenvolvidas numa única. Pode ser feita também pesquisa sobre dissipadores

refrigerados a água, permitindo assim a redução do volume ocupado pelo Inversor.

Para se conseguir um melhor rendimento e um ciclo de vida maior para as baterias

será interessante a implementação de um sistema BMS (Battery Management System –

Sistema de Gestão das Baterias) para as baterias escolhidas.

Finalmente, a eficiência do carro pode ser melhorada com a implementação de um

sistema de travagem regenerativa. Assim, será necessário estudar os sistemas de

controlo e especificar os elementos armazenadores necessários para armazenar a energia

cinética durante as travagens.



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Delfim Duarte Rolo Pedrosa Desenvolvimento de um …intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/42986.pdf · prática deste trabalho. Ao Professor Doutor Carlos Couto e ao Professor