segunda-feira, 19 de outubro de 2009

Motores para Veículos Elétricos


Após discorrer um pouco sobre os fatores que podem potencialmente limitar a autonomia de veículos elétricos, bem como aqueles que podem ser aproveitados para ampliá-la, gostaria de falar algo sobre motores elétricos e sua aplicação automotiva. Como já mencionei anteriormente, motores elétricos possuem eficiência elevada. Mesmo aqueles motores baratos e de projeto simples e despretensioso, como aquelas montagens comuns em laboratórios escolares, atingem eficiências superiores a 80 por cento. Mas nem todos os motores elétricos são adequados para a aplicação que temos em mente, devido a certas considerações construtivas e de controle.

Os motores elétricos podem ser divididos em dois grandes grupos: os motores de Corrente Contínua (CC), também conhecidos como Corrente Direta (em inglês, "Direct Current" ou DC) e os motores de Corrente Alternada (CA, ou do inglês "Alternate Current", AC). Entre esses dois grupos, existem os chamados Motores Universais, que podem operar tanto em CC como em CA.

O primeiro motor elétrico foi construído pelo físico inglês Michael Faraday. Esse motor nasceu de sua pesquisa com geradores, os quais também lhe podem ser atribuídos. Faraday estudava o comportamento da agulha de uma bussola ao aproximar-se de um campo magnético produzido pela passagem de uma corrente elétrica por um fio metálico. Faraday sabia que a agulha sofreria um desvio tão acentuado quanto fosse a corrente que passasse pelo fio. Este fenômeno já havia sido observado pelo físico dinamarquês Hans Christian Oersted, embora este não tivesse ousado explicar o fenômeno. Baseado neste princípio, Faraday construiu um detector de corrente elétrica bastante sensível. Este tipo de detector é hoje conhecido como Galvanômetro, em homenagem a Luigi Galvani, anatomista italiano que realizou os primeiros experimentos relacionados à eletricidade e tecido animal.

De posse de seu galvanômetro, Faraday estava capacitado a realizar os seus experimentos. Além disso, o próprio funcionamento do instrumento levou o físico a intuir que havia uma relação entre eletricidade e magnetismo, que um poderia “induzir” ao outro. Faraday começo com um experimento simples. Como ele sabia que uma corrente elétrica poderia afetar um campo magnético (como a agulha magnética da bússola), supôs que o contrário também poderia ocorrer, ou seja, o campo magnético induzir uma corrente. Então Faraday montou um arco feito com um fio metálico, conectando cada extremidade ao seu galvanômetro. Introduziu no interior desse arco um imã. Ao fazê-lo, a agulha do galvanômetro saltou e agitou-se, retornando em seguida a sua posição de repouso. Ao remover o imã, outro salto foi observado na agulha, na direção oposta à anterior. Faraday esperava a deflexão da agulha, mas não esperava que ela retornasse à posição inicial. Muito menos que nova deflexão ocorresse ao se retirar o imã. Ele intuiu então que não era simplesmente a proximidade do campo magnético que induzia a corrente no condutor, mas sim o seu movimento. Para confirmar esta tese, movimentou continuamente o imã no interior do arco metálico e uma sequência de pulsos foi reproduzida pela agulha.

Faraday então ampliou o seu experimento. Supôs que se um imã em movimento pode induzir uma corrente elétrica e esta última pode induzir um campo magnético (o que ele já sabia graças ao galvanômetro), uma corrente elétrica poderia induzir oura corrente elétrica. Adicionou à sua montagem mais um arco metálico paralelo ao primeiro, conectado a uma poderosa (para a época) pilha elétrica, com um pequeno interruptor para interromper o circuito. Quando o interruptor foi acionado, observou-se mais uma vez a agulha saltar e retornar à posição neutra. Ao desligar o circuito, novo pulso de corrente foi observado e novamente a agulha retornando ao neutro. Este experimento intrigante levou a Faraday a concluir que uma corrente estática (contínua) não poderia induzir outra corrente em um condutor próximo. Mas nos momentos de transição, quando a energia era ligada ou desligada, a corrente sofria uma variação até atingir um estado estacionário de equilíbrio. Durante a transição, concluiu, o campo magnético produzido no arco metálico sofria uma variação, comportando-se como o imã movimentado manualmente. Portanto, é o movimento do campo magnético que induz uma corrente elétrica. E é o “movimento” da corrente elétrica (ou a sua variação) produz um campo magnético “móvel”, ou seja, que varia no tempo.

Não demorou muito para que Faraday pensasse: se o movimento do campo magnético pode gerar uma corrente, seria uma corrente capaz de gerar movimento? Afinal, era exatamente o que já acontecia com a agulha do galvanômetro. Contudo, este movimento era errático e de maneira nenhuma contínuo. Contudo, ele observou em seus experimentos que a corrente era induzida no condutor sempre que o imã se movimentava em direção perpendicular à direção da corrente. Supôs, por simetria, que o mesmo aconteceria no sentido inverso, ou seja, se a corrente se movimentasse em direção perpendicular à direção do campo magnético do imã, um torque seria produzido entre este e o condutor. Para por à prova esta idéia, idealizou o seguinte experimento.


Um imã em forma de barra é fixado em pé ao centro de um recipiente contendo um líquido condutor de eletricidade (por exemplo, o mercúrio). Suspenso por um suporte, um fio metálico rígido e livre para girar tem uma ponta mergulhada no líquido e a outra conectada a um dos pólos de uma bateria elétrica. O líquido é conectado ao outro pólo da bateria, de modo que a corrente elétrica atravesse o líquido. Faraday esperava que o fio metálico girasse em volta do imã, em um movimento circular de pêndulo. E foi o que de fato ocorreu.



Isso porque a corrente elétrica moveu-se na direção perpendicular ao campo magnético do imã, produzindo outro campo magnético que se opunha ao primeiro. A medida que o fio se desloca, provoca uma mudança na direção da corrente elétrica, mantendo o movimento circular. Obviamente este não é um modelo prático de motor, mas serve para demonstrar o princípio.

Vemos então que o primeiro motor elétrico inventado foi um motor CC. Uma variação deste princípio Foi aplicado no disco de Faraday.



Nesta montagem, um disco metálico é colocado entre os dois pólos de um imã. O eixo do disco é conectado a um dos pólos da bateria enquanto um contato elétrico do tipo “escova” liga o outro pólo da bateria à borda do disco. O disco começa a girar no momento em que a corrente é aplicada. Essa mesma montagem pode ser usada como gerador. Para isso. O disco deve ser movimentado (por exemplo, por uma manivela) e a bateria substituída pela carga (um galvanômetro, por exemplo).

O motor descrito acima é muito eficiente, mas possui uma capacidade limitada de produzir potência. Isso acontece porque o campo magnético produzido pela passagem da corrente pelo disco é muito pequeno. Descobriu-se mais tarde que se um fio condutor for enrolado na forma de bobina, ou solenóide, a intensidade do campo magnético produzido pela corrente aumenta em proporção ao número de espiras. Assim, os projetistas de motores começaram a pensar em motores que incluíssem solenóides para aumentar a potência produzida.

Não cabe aqui traçar um histórico completo do desenvolvimento dos motores elétricos. Meu objetivo foi apenas demonstrar que o motor elétrico nasceu como uma máquina de Corrente Contínua. Mais tarde, Nicola Tesla cria os primeiros motores e geradores de corrente alternada práticos e economicamente viáveis, transformando por completo a indústria elétrica (que ainda era insipiente) e popularizando o uso da energia elétrica.

Como disse anteriormente, os motores elétricos podem ser divididos em dois grandes grupos: os motores CC e os motores CA, tendo os motores Universais como intersecção entre os dois grupos. Existem os seguintes tipos de motores CC:

Motores CC de imã permanente: O tipo de motor mais simples. É composto por um estator (a parte externa do motor) no qual imãs permanentes são fixados. Um rotor ou armadura (a parte móvel) possui enrolamentos de cobre que produzem um campo magnético que se opõe ao campo do estator. Escovas de grafite são usadas para fornecer corrente ao rotor através de um coletor de cobre.



Originalmente este tipo de motor era usado apenas para aplicações de pequeno porte, pois os imãs permanentes eram muito fracos. Hoje em dia, imãs poderosos feitos de “terras raras” são capazes e superar em força eletroímãs poderosos, o que viabiliza as aplicações de grande porte.

Motores CC de bobina de campo: Nestes, o imã permanente é substituído por eletroímãs. Estes podem ser de excitação independente, caso em que uma fonte de energia separada é necessária para as bobinas de campo. Estas também podem ser ligadas em série ou em paralelo a armadura, ou mesmo é possível uma bobina em série e outra em paralelo. O tipo de excitação depende essencialmente das condições em que o motor será operado.

Motores de Corrente Alternada: Uma das desvantagens dos motores CC é a necessidade de escovas e coletores para fornecer corrente para a armadura. As escovas são pontos de perda de energia, tanto por atrito como por efeito Joule, que é o aquecimento resultante da passagem de corrente por um condutor. Quanto maior a resistência elétrica, maior a perda. Além disso, as escovas requerem manutenção constante em função do desgaste que sofrem. Mas por que a corrente tem que ser fornecida por escovas? Como vimos, uma corrente pode ser induzida em um condutor por um campo magnético. Então, por que não induzir a corrente na armadura? Na verdade, para induzir esta corrente, é necessário que o campo magnético varie no tempo. Isso é possível alimentando as bobinas de campo com uma corrente alternada. Existem basicamente tipos de motores de corrente alternada: monofásicos e trifásicos. Uma explicação sobre o funcionamento desses motores seria muito extensa para ser exposta neste artigo. Por razões técnicas, os motores de maior porte são produzidos na versão trifásica. Esses motores também são conhecidos como motores de Indução, pois uma corrente é induzida na armadura. Existem também os motores síncronos, onde a armadura é alimentada através de escovas ou substituída por imãs permanentes poderosos. Esses motores apresentam torque elevado e melhor relação peso-potência, mas também são de construção mais complexa ou usam materiais mais caros. Os motores de indução, por serem produzidos em larga escala e de construção simples são hoje os motores com a melhor relação custo/benefício para a indústria. Mas em virtude de suas aplicações serem tipicamente estacionárias, como em eletrodomésticos e máquinas industriais, não há uma preocupação com relação ao peso. Portanto, são normalmente motores muito pesados.

Apresento abaixo um resumo dos tipos de motor disponíveis no mercado, passíveis de utilização em veículos:

Motores CC de imã permanente;
Motores CC de excitação em série ou paralelo;
Motores CA de indução;
Motores CA Síncronos;

Existem também os motores CC “brushless”, ou sem escovas. Na verdade, estes são motores CA que incluem internamente um circuito eletrônico inversor. Portanto são, na verdade, motores CA.

Motores CA são muito convenientes quando uma fonte de energia CA (por exemplo, uma tomada). Mas no caso de veículos elétricos, a energia disponível vem de uma fonte CC (baterias). Para usar motores CA em veículos, é necessário converter CC em CA. Isso é feito através de inversores, circuitos eletrônicos especiais, semelhantes aos usados nos motores brushless.

Motores CC podem ser alimentados diretamente pelas baterias. No entanto, é necessário um controle de potência. Isso pode ser feito de duas formas. Uma delas é controlar a corrente na bobina de campo. Essa é a forma tradicionalmente usada na indústria e é o que foi utilizado nos primeiros veículos elétricos. Outra é utilizar controladores PWM, circuitos eletrônicos semelhantes aos inversores, mas muito mais simples. Estas informações nos permitem dividir os veículos elétricos em três grandes grupos:

Veículos CC com controle de corrente na bobina de campo;
Veículos CC com controle PWM;
Veículos CA com inversor.

A primeira opção permite um controle eficiente do motor. No entanto, como o controle é feito com o uso de resistências variáveis, o que implica em perdas e desgaste de componentes.

A segunda opção é mais eficiente energeticamente do que a anterior, mas o motor CC ainda apresenta perdas e desgaste nas escovas e coletores.

A terceira opção é a mais eficiente de todas. No entanto, o controle por inversor é caro e complexo. Contudo, a produção de inversores em escala industrial de consumo pode fazer o custo destes equipamentos cair muito.

Um aspecto interessante sobre os veículos elétricos e que eles estão, assim como computadores e telefones celulares, sujeitos à Lei de Moore, aquela que “profetizou" que a velocidade e capacidade de armazenamento dos computadores dobriam a cada 18 meses. Até hoje a lei de Moore não tem falhado na informática. Seria interessante observar fenômeno semelhante na indústria automobilística, pois conceitualmente, esta apresenta-se estagnada a mais de um século.

Para saber mais:

Apostila sobre motores elétricos - Fac. Engenharia Unesp

Lei de Moore

segunda-feira, 5 de outubro de 2009

As Quatro Forças

Para compreender as supernovas, é necessário compreender as estrelas, os planetas e como são formados. e para isso, é necessário comprender as leis que os regem e as  forças que atuam sobe os mesmos.

O que é uma força? Todos nós temos uma noção intuitiva do que seja uma força. Quando suspendemos um objeto, empuramos um móvel ou arremessamos uma pedra, exercemos uma força  que provoca um movimento ou deslocamento. No entanto, a experiência cotidiana nos leva a crer que quando a força cessa, o movimento também cessa. Afinal, quando soltamos o objeto que suspendemos ele tende a cair. Quando paramos de empurrar o móvel, o mesmo se imobiliza. e não importa com quanta força tenhamos arremessado a pedra, em poucos segundos ela cai e fica imóvel. Às vezes nos esquecemos de que o objeto que suspendemos, quando solto, cai porque há outra força que o puxa para baixo. Ou que se o móvel tiver rodinhas, pode continuar se movendo por algns metros depois do impulso inicial. Mas quando nos damos conta disso, percebemos que nosso conceito de força precisa de uma revisão.

O primeiro a formular uma teoria consistente e matematicamente embasada para o conceito de  força foi o físico inglês Isaac Newton. Observando pequenos carrinhos se deslocando em uma superfície plana e polida, com baixo atrito, ele formulou, a partir de seus experimentos, 3 "Leis" do movimento. São elas:

Primeira Lei: Todo corpo continua em seu estado de repouso ou de movimento uniforme em uma linha reta, a menos que seja forçado a mudar aquele estado por forças aplicadas sobre ele. Ou seja, se um corpo (um objeto qualquer) estiver em repouso (parado) ou em movimento, se nenhuma força for aplicada ao mesmo, a tendência é de preservar o estado inicial, seja parado ou em movimento

Segunda Lei: A mudança de movimento é proporcional à força motora imprimida, e é produzida na direção da linha reta na qual aquela força é imprimida. Em outras palavras, se uma força for aplicada a um corpo, o mesmo vai sofrer uma mudança em sua velocidade. Esta mudança vai acontecer na direção em que a força foi aplicada. Se a um objeto parado for aplicada uma força, a tendência é do mesmo acelerar, ou seja, ganhar velocidade, na direção em que a força foi aplicada. Esta variação depende apenas da força aplicada ao corpo e de sua massa. Em nosso dia a dia, associamos a massa de um corpo ao seu peso. Isso ocorre por razões históricas que discutirei mais tarde.

A Segunda Lei pode ser expressa da equação: F=ma, onde;

"F" é a força aplicada ao corpo (por exemplo, um empurão);
"m" é a massa do corpo;
"a" é a sua aceleração, ou seja, a razão pela qual a velocidade deste corpo se altera.

Se a força "F" for constante, ou seja, não variar nem de intensidade e nem de direção, o corpo será acelerado com uma aceleração "a", também constante.

Terceira Lei: A toda ação há sempre uma reação oposta e de igual intensidade, ou, as ações mútuas de dois corpos um sobre o outro são sempre iguais e dirigidas a partes opostas. Ou seja, se eu empurro o guarda-roupa, ele me empurra de volta com uma força semelhante, mas oposta. Quando uma pessoa caminha sobre a superfície da Terra, o impulso do pé sobre o chão empurra a pessoa para frente. No entanto, a pessoa também empurra o chão para trás com a mesma força. Como a massa da Terra é muito maior que a da pessoa, seu deslocamento para trás é imperceptível.

Com essas 3 leis, Newton criou um método para analizar objetos em movimento e as forças aos quais estes estão sujeitos. No entanto, estas três "Leis" não explicam o que é uma força, apenas nos dão uma pista de como deve ser seu comportamento. Somente no final do século XIX e começo do XX é que o conceito de "força" começou a ser melhor compreendido. Compreendeu-se também que existem 4 forças distintas. Todos os demais são manifestações de uma ou mais dentre essas 4. São elas, em ordem crescente de intensidade:

Primeira Força - Nuclear Forte.

A Força Nuclear Forte é a força que está associada às reações no núcleo dos átomos. É a "cola" que mantém unidos os protons no núcleo, apesar da gigantesca força de repulsão entre eles, como veremos adiante. É fortemente atrativa em distâncias muito curtas, como o tamanho de um núcleo atômico. e fortemente repulsiva emm distâncias maiores.

Segunda Força - Eletromagnética.

A Força Eletromagnética engloba as forças elétricas e magnéticas. É milhares de vezes mais fraca que a Força Nuclear, mas possui longo alcance, pois sua intensidade vairia com o inverso do quadrado, ou seja, se aumenta a distância em 2 vezes, a intensidade da força é dividida por 4. Existem 2 tipos de força eletromagnética, que são a positiva e a negativa. Forças do mesmo tipo se repelem, enquanto as de tipo diferentes se atraem. Uma forma de manifestação da Força eletromagmética envolvendo os dois tipos é o foton, associado à luz e às ondas de rádio, raios X, etc, conhecidos como ondas eletromagnéticas.

A força eletromagnética dá conta da grande maioria das manifestações de força com as quais convivemos no dia a dia. Quando eu empurro o guarda-roupa, são os campos elétricos e magnéticos que existem entre a minha mão e a madeira que exercem a força que o empurra (e que me empurra de volta). As reações  quimicas, forças de atrito, calor e a luz do Sol são todos manifestações da força eletromagnética.

Terceira Força - Nuclear Fraca.

A Força Nuclear Fraca é dez bilhões de vezes mais fraca de a Força eletromagnética. Apesar de tão pouco intensa, ela é importante porque está associada a certos fenômenos nucleares, associados à radioatividade. Entre as partículas que transportam a Força Nuclear Fraca, destaca-se o Neutrino, que terá grande importância em nosso caminho em direção às supernovas.

Quarta Força - Gravitacional.

A Força Gravitacional é, de longe, a mais fraca de todas as forças. Se a Força Eletromagnética fosse 1, a Gravitacional seria 10 elevado a -39, ou seja, 0,000000000000000000000000000000000000001. Apesar dessa escala quase infinitesimal, a Força Gravitacional é fundamental para a formação de planetas, estrelas, galáxias e do próprio Universo. Isso devido a 2 propriedades. Em primeiro lugar, ao contrário da  Força Eletromagnética, ela é sempre atrativa. Como todas as partículas de matéria exercem a Força Gravitacional, seu efeito é cumultivo. Quato mais matéria for acumulada, maior será o efeito da Força Gravitacional. Em segundo lugar, esta força também obedece a lei do inverso do quadrado, como a Eletromagnética. Isto significa que a Força Gravitacional diminui de intensidade com a distância, mas sempre se fará sentir, não importa quão distante estejamos de sua fonte.

Esta é uma descrição muito breve das 4 forças e de como elas atuam. Assim como nas Leis de Newton, não temos uma explicação do que é uma força, de onde ela vem ou por que se comporta se um modo e não de outro. Na tentativa de compreender o Universo, a ciência desistiu de se preocupar com o "por quê" e passou a se concentrar no "como". Mas com o modedo das 4 forças, temos condições de fazer previsões sobre como o Universo deve se comportar.

Para saber mais:

Wikipedia - Partículas e Forças

Asimov, Isaac - O Colapso do Universo - Ed. Francisco Alves
Hawking, Stephen W. - Uma Breve História do Tempo - Ed. Rocco

O que é uma Supernova?

De maneira muito simplista, uma supernova é uma estrela em explosão. Mas ela é muito mais que isto. Supernovas são os cadinhos estelares, onde toda a matéria que conhecemos é forjada a partir do hidrogênio original, que é o principal constituinte de todas as estrelas. Quando na fase de supernova, uma estrela pode brilhar várias vezes mais que todas as estrelas da galáxia juntas! Estima-se que são visualizadas (com a ajuda de telescópios) mais de 100 supernovas por ano. Mas infelizmente (ou felizmente, como veremos mais tarde), muito poucas delas chegam a ser visíveis com uma estrela de quinta ou sexta grandeza (quanto maior a grandeza, menor o brilho. É por isso que nos referimos às estrelas muito brilhantes como de primeira grandeza).

Supernovas estão intimamente relacionadas com a constituição atual do Universo, a formação do Sistema Solar e da Terra, e consequentemente da vida sobre esta. Somente nas supernovas os elementos químicos mais pesados do que o ferro podem ser formados e somente seu violento processo explosivo é capaz de expulsar estes elementos dos densos e ultraaquecidos núcleos estelares.

Encontramos na história da astronomia diversos relatos sobre "estrelas novas", que brilham no céu brevemente por poucos dias ou semanas e depois lentamente caem na obscuridade. Mas ocasionalmente, uma dessas estrelas brilharam de maneira fugurante. O Séculos XVI  e XVII foram agraciados cada um com um evento semelhante. Em 1572, uma brilhante Nova surgiu na constelação de cassiopeia e foi documentada por diversos astrônomos da época, dentre os quais destaca-se Tycho Brahe, autor do trabalho "De Nova Stella". Em 1604, outra Nova particularmente brilhante foi documentada pelo discípulo do Tycho, Joannes Kepler. Ambas eram particularmente brilhantes, superando várias vezes o brilho de venus no céu noturno e podiam ser vistas mesmo durante o dia. Há relatos que mencionam um brilho semelhante ao luar.

A atual compreensão das leis da física e da astrofísica auxilia na compreensão desse fenômeno impressionante. Na verdade, esta compreensão os torna ainda mais impressionantes, pois nos permitiu a compreensão da verdadeira escala dessas magníficas explosões. E também nos fez saber que, na verdade, existem dois tipos distintos do que hoje chamamos de supernovas.

Por outro lado, esta compreensão trouxe consigo outras inquietantes perguntas, algumas das quais permanecem até hoje sem respostas.

Procurarei apresentar um pouco do que sabemos sobre as supernovas, sua origem e destino. Antes porém, farei uma introdução básica sobre a física necessária para comprender como as supernovas ocorrem e em que condições.

sexta-feira, 2 de outubro de 2009

Autonomia dos Veículos Elétricos - Segunda Parte

No post anterior mencionei que a maior capacidade de armazenamento de energia da gasolina em comparação com baterias elétricas permitiriam ao veículos movidos com este combustível uma autonomia 25 vezes maior que a dos veículos elétricos. No entanto, ao compararmos esta informação com o mundo real, observamos que isso de fato não ocorre. A autonomia dos veículos a gasolina é apenas 3 a 5 vezes superior a dos elétricos. Por que isso ocorre?
Um erro muito comum ao se comparar veíuculos elétricos com veículos a combustão é fazer esta comparação baseado no paradígma dos veículos a combustão. Isso implica em aplicar aos elétricos certas "verdades"  que só são aplicáveis a combustão. Por exemplo, quando comparamos a capacidade de armazenamento de energia, nos esquecemos que um veículo a gasolina não transporta um peso em combustível comparável ao peso de baterias. Na verdade, este peso é muito menor, o que implica em uma autonomia também muito menor. Se fossemos transportar no tanque de combustível 400 ou 500 kg de gasolina, seria necessária a adoção de motores muito mais potentes do que o usual, em virtude dos problemas de curva de torque que eu apresentei anteriormente (veja o meu tópico  Por Que Elétrico? ). Ou então sacrificar drasticamente a capacidade de carga, o que não é muito interessante.  Para exemplificar, imaginemos um caminhâo tanque, desses usados para transporte de combustível.




Um caminhão desse tipo pode transportar 30.000 litros de combustível. A densidade do óleo díesel é de aproximadamente 0,85 kg/l, o que dá um peso de 25.500 kg. o consumo médio de um caminhão transportando uma carga como esta é de 1 km/l. Assim, se este tanque for conectado diretamente ao motor, permitirá uma autonomia de impressionantes 30.000 km, talvez até um pouco mais, pois a medida que o combustível é consumido, o peso diminuii, consequentemente diminuindo o consumo. Mas esta autonomia impressionante não é muito prática do ponto de vista econômico. Primeiro porque seria um veículo muito caro e pesado para transportar apenas 3 pessoas. É muito mais viável usar um pequeno carro de passeio e abastecer ao longo da viagem (na maioria dos casos práticos, postos de gasolina podem ser encontrados por todo o percurso). Um carro de passeio pequeno pode fazer até 15 km/l na estrada. Os mesmos 30.000 litros nesta situação permitiriam uma autonomia de 450.000 km, mais do que a distância entre a Terra e a Lua. Apresento estes dois casos extremos apenas para mostrar que existe um limite prático para o peso de combustível que pode ser transportado em um veículo. Por isso, normalmente o peso de combustível transportado em carros de passeio varia entre 50 e 100 kg. Nesta conta, não estou mencionando o peso do tanque de combustível e de todo o sistema de alimentação (tubulações, mangueiras, bombas, filtros, boias, etc.).



Fica claro por este exemplo que devemos tomar muito cuidado ao comparar veículos a combustão com veículos elétricos, pois estamos comparando duas coisas que são diferentes em sua essência. É como comparar cebolas com batatas. Ambos são alimentos nutritivos de origem vegetal, mas as semelhanças acabam por ai. Pensando nisso, elaborei o que chamo de Verdades Relativas aos Veículos Elétricos, as quais apresento a seguir.

Primeira Verdade: Veículos elétricos não armazenam energia da mesma forma que veículos a combustão.

Esta verdade é decorrente do exposto acima. Esta afirmação pode parecer trivial e óbvia, mas possui implicações profundas quanto ao projeto de veículos. Por exemplo: o peso maior das baterias poderia ser amplamente compensado pelo peso menor dos sistemas motor e de transmissão, ou por um projeto de carroceria usando materiais mais adequados. Se ônibus e caminhões utilizassem em sua construção os mesmos materias que são usados em carros de passeio, seu peso se tornaria proibitivo. É por isso que nesses veículos, materiais como alumínio e fibra de vidro são amplamente utilizados.

Segunda Verdade: Veículos elétricos não usam a energia da mesma forma que veículos a combustão.

Esta afirmação não é tão óbvia como a primeira, o que tem ocasionado muitos erros conceituais, inclusive entre projetistas de veículos elétricos. Para entender esta diferença tão importante, é necessário observar o comportamento de veículos em funcionamento. Algumas coisas são comuns a qualquer veículo. Por exemplo: todos os veículos possuem massa. Portanto, todos os veículos possuem as propriedades da massa, como por exemplo a inécia, a propriedade dos corpos com massa de manter uma velocidade constante quando nenhuma força é aplicada ao mesmo. Se um veículo é levedo a uma pista reta e plana e é acelerado até, por exemplo, 100 km/h, sua tendência é de manter estes 100 km/h. Forças de atrito com o solo e com o ar tendem a desacelerar este veículo. Se o desenho aerodinâmico deste veículo for bom e os pneus estiverem em bom estado e corretamente alinhados e calibrados, este veículo pode manter esta velocidade por uma distância razoável. Pode atingir uma distância de 1 ou 2 quilômetros sem perder muito desta velocidade (eu sei porque eu fiz o teste). Esta é uma propriedade que poderia ser usada para melhorar a autonomia de veículos. No entanto, no caso dos veículos a combustão, uma característica dos motores interfere nesta utilização. Esta característica está associada a partida dos motores. A ignição de motores a combustão é algo complexa. Esses motores não ligam-se espontaneamente quando se fornece combustível. Para acioná-los, é necessário um impulso inicial. Nos primeiros motores a gasolina, este impulso era dado através de uma manivela girada manualmente. Esta manivela era pesada e desistimulava o uso de automóveis pelas mulheres (que na época mostravam uma clara preferência pelos elétricos). Posteriormente, um pequeno motor elétrico passou a ser usado no lugar da manivela.




Para isso, uma pequena bateria de chumbo foi adicionada ao sistema, bem como um gerador para manter a bateria carregada. Neste sistema de partida elétrica, um pequeno botão é acionado ou uma chave é virada, fechando o contato elétrico e acionando o pequeno motor de partida. Este impulso inicial comprime a mistura de ar e combustível no interior dos cilindros do motor, o que provoca a ignição e põe o motor em funcionamento. Uma vez acionado, o motor de partida não é mais necessário e pode (ou deve) ser desativado. E uma vez acionado, o motor a combustão deve ser mantido em funcionamento durante todo o período em que for utilizado, mesmo durante pequenas paradas ou em situações no plano (ou mesmo descidas), uma vez que a partida do motor é complexa e sujeita a falhas, o que pode colocar em perigo o motorista e passageiros se for tentada com o veículo em movimento. Além disso, atrualmente muitos sistema do veículo, como freios e direção, dependem do motor para seu correto funcionamento. Existem alguns projetos modernos, como o Stop & Start do Citroën C3, que tentam compensar esta deficiência usando um motor de partida mais potente, que também pode ser usado como gerador para a carga da bateria, associado a um controle eletrônico que detecta automaticamente as situações em que o motor pode ser desligado e em quais ele precisa ser prontamente acionado, sem que o motorista precise se preocupar com isso. O motor de partida mais potente permite que o motor principal seja acionado mais rapidamente.




Em um veículo elétrico, o motor não precisa permanecer constantemente ligado. Além disso, a automação necessária para a sua partida e controle é muito mais simples do que a requerida para um motor a combustão. Existe a possibilidade de tornar o controle do motor inteiramente automático, permitindo ao motorista dirigir sem se preocupar com o motor. Em uma situação de deslocamento no plano, o sistema pode ser programado para fornecer ao motor apenas a potência extritamente necessária para vencer as forçãs de atrito. Se for uma descida, o motor pode atuar como um gerador, transportando para a bateria qualquer energia ganha que de outra forma aceleraria o veículo. Mesmo em uma frenagem, o mesmo processo pode ser usado, recuperando a energia cinética do veículo (que como vimos no post anterior, não é pouca coisa). Estas características apresentadas, mostram que não é suficiente comparar a  eficiência específica dos motores ou a capacidade energética dos combustíveis. É indispensável levar em consideração a maneira como a energia é utilizada. O grande poder calórico da gasolina por muitos anos incentivou o desperdício na indústria automotiva. Quando o preço do petróleo começou a subir, este modelo perverso já estava estabelecido e não se podia mais voltar atrás.

Terceira Verdade: Veículos elétricos não se comportam como veículos a combustão.

Uma consequência das duas Verdades anteriores. As diferenças  conceituais quanto a forma de armazenar e utilizar a energia, juntamente com as diferenças de eficiência e comportamento dos motores exigem que se pense de maneira diferenciada quando se projeta veículos elétricos. Um exemplo de desempenho diferenciado e autonomia bastante aceitável pode ser encontrado nos projetos da Tesla Motors. Os projetos da Tesla, como o famoso Roadster, evidenciam que seus projetistas compreenderam e adotaram o novo paradigma. Infelizmente, os preços de seus produtos ainda estão muito elevados, uma consequência do mercado ainda não haver  adotado este novo paradigma.




Para saber mais: