O Projeto de Israel: Uma Bateria Avançada que Reduza a Sede de Petróleo no Mundo

De Carros Elétricos a Energia Solar Disponível, As Novas Tecnologias Pioneiras de Israel:

Israel também está assumindo uma liderança na área de alternativas energéticas direcionadas à redução da emissão de CO2 e promoção do uso de energia renovável. É um dos primeiros países a participar de maneira ativa na promoção de carros elétricos para emissão zero e preparar a infraestrutura para a comercialização em massa destes veículos.

Uma empresa israelense está ativa no desenvolvimento e projeto de usinas de energia solar eficientes em todo o planeta; cidades israelenses estão contribuindo com projetos internacionais para redução da emissão de gases do efeito estufa e apenas recentemente Israel e os Estados Unidos iniciaram um projeto em parceria para programa de pesquisa para energias alternativas sancionado pelo Presidente Bush.   

Baterias de íons de Lítio e os VEs:

Sem fazer alarde e com pouca cobertura da mídia, Israel também está na corrida de baterias de Lí-íons otimizadas e parece ter instituído como meta nacional o desenvolvimento de uma bateria que possa fornecer energia suficiente para 500 quilômetros de autonomia, ou seja, de percurso do VE com uma única carga.

Hoje já estamos há pouco mais de um mês que o Israeli National Center for Electrochemical Propulsion (Centro Nacional Israelense para Propulsão Eletroquímica) foi fundado. O centro será inaugurado dentro das próximas semanas e receberá um fundo de 45 milhões NIS (em torno de US$ 11,7 milhões) para os próximos quatro anos.

O centro contará com cem pesquisadores divididos em doze equipes de quatro instituições acadêmicas: Universidade de Tel Aviv, The Technion (Instituto Israelense de Tecnologia), Universidade Bar Ilan e Ariel University Center of Samaria (Centro Universitário Ariel da Samaria).

O centro tem como único propósito a pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias para um armazenamento de eletricidade mais efetivo e eficiente.

Substituindo o petróleo:

“O petróleo não tem futuro, e os responsáveis são tanto a política como a sua escassez”, disse o presidente do centro, Prof. Doron Urbach da Faculdade de Química da Universidade Bar Illan.  “Houve uma mudança de mentalidade por parte dos políticos que se infiltrou na indústria automotiva e chegou até os fabricantes de bateria. Todos querem carros elétricos. De fato, é possível dirigir por 150 quilômetros com um carro elétrico, o que é suficiente para a média dos israelenses, sendo que esse percurso deve ser aumentado.”

“O maior êxito da eletroquímica moderna é a bateria de íon de lítio recarregável”, explica Urbach. “É uma ótima bateria para aparelhos eletrônicos, mas para um carro seriam necessárias muitas delas. Hoje, uma bateria como a usada pela Better Place em seus carros elétricos pesa 300 kg, o suficiente para um percurso de 150 km. Nosso objetivo é estender esse percurso sem aumentar o peso e o volume.”

Aperfeiçoando baterias:

Um problema com o qual os fabricantes de carro se confrontam regularmente é a velocidade limitada de descarga elétrica das baterias. Em outras palavras, a descarga de energia em um curto espaço de tempo, como exigido na aceleração dos carros. Nesse sentido, o centro trabalha no desenvolvimento de supercapacitores que possam fornecer a quantidade de energia exigida no espaço de tempo desejado.

Os capacitores podem oferecer uma solução para o armazenamento de energia, um tema polêmico na comunidade científica. Baterias avançadas poderiam reduzir a dependência do petróleo, carvão e gás natural usados na produção de energia elétrica. A energia solar e a eólica, por exemplo, não são capazes de produzir grandes volumes de energia continuamente, o que significa que o armazenamento de energia é um dos maiores desafios no campo das energias renováveis.

O próximo estágio no desenvolvimento será o aperfeiçoamento de baterias usadas atualmente em carros que, segundo Urbach, funcionam a partir de uma tecnologia que existe a mais de cem anos. “A bateria de um carro produz em torno de cem ciclos e então morre. Isso não é o suficiente, uma vez que você não pode depender de baterias que precisam ser substituídas a cada dois ou três anos.”

A Primeira Rede de Serviços para Carros Elétricos:

Em 21 de Janeiro de 2008,  O governo israelense anunciou seu patrocínio ao um plano de instalação da primeira rede de carros elétricos do mundo em Israel até 2011.

O Projeto “Better Place” (Um Lugar Melhor), que é de propriedade do empreendedor israelense-americano Shai Agassi, fornece baterias de íons de Lítio para energizar  a tração dos carros, além de uma infraestrutura, automatizada especialmente dedicada a realizar tal serviço, necessária para substituí-las e para recarregá-las.  

Uma bateria permite aos carros viajar 199 quilômetros a cada carga.  Nesse prática tipo de serviço, parece que Israel está despontando mesmo com o líder pioneira.

O Projeto Better Place também instala tomadas para recarga (parecidas com parquímetros) nas ruas, além de construir postos de abastecimento em estradas, baseada na substituição das baterias, operação que pode ser realizada em menos de 3 minutos.  

Montadoras de veículos, como a Renault-Nissan vem construindo os novos carros e oferecendo um pequeno número de seus modelos existentes a eletricidade, tais como o Fluence Z.E, a preços similares aos modelos à gasolina.

A Better Place Consortium vem e tornando uma rede, líder mundial, fornecedora do serviço de troca das baterias de energia dos VEs, provendo aos motoristas uma extensão da autonomia, o que torna mais conveniente dirigir os VEs, permitindo a adoção em massa desses carros pelo mercado, através de um inovador modelo de bateria comutável, mais conveniente e mais sustentável do que os carros a gasolina de hoje.

A Better Place possui e opera uma rede dessas estações de troca de bateria e locais de carregamento públicos e/ou privados, juntamente com o fornecimento. Sempre que possível, a Better Place usa fontes de energia renováveis para produzir mobilidade com emissões totalmente zero. O Fórum Econômico Mundial denominou a Better Place como uma empresa “Global Growth Company Industry Shaper” por sua abordagem inovadora no avanço da mudança global para carros elétricos.

Para promover esta forma de transporte ambientalmente eficiente, o Governo de Israel cortou os impostos de carros movidos a eletricidade a 10% (em comparação com os 79% dos carros regulares) para encorajar os consumidores a adquirir os veículos tão logo os mesmos estejam disponíveis. Esta iniciativa irá oferecer aos consumidores um carro de valor acessível pelo qual pagarão uma mensalidade com base na quilometragem prevista.

As vantagens tributárias para veículos elétricos “limpos", que Israel promete oferecer até pelo menos 2015, fará com que os carros fiquem ainda mais baratos para os consumidores do que os carros movidos a gasolina.  “Você poderá ter um carro de última geração, com um valor quase que metade de um modelo a gasolina de hoje", afirmou Agassi. Deveras uma previsão bastante otimista.

O Presidente de Israel Shimon Peres vem apoiando publicamente o projeto, afirmando-o, inclusive, em termos políticos: ” ... Israel pode não se tornar um país de poder industrial, mas pode ser um laboratório moderno e um projeto piloto para novas idéias, como o carro elétrico.” 

A Better Place anunciou uma Estação de Troca de Bateria construída em parceria com o Aeroporto de Amsterdã Schiphol e atenderá, inicialmente, 10 táxis Renault Fluence Z.E. operados por três das principais empresas de táxi holandês – Connexxion, Bios e TCA. A estação de Schiphol é dedicada exclusivamente ao uso dos táxis elétricos Renault Fluence Z.E. neste momento, porém, a Better Place também anunciou, também, que expandirá para incluir uma segunda Estação de Troca de Bateria em Amsterdã, que aumentará a área de serviço para o primeiro grupo de táxis elétricos.

“Premiado no ano passado, o projeto é o primeiro projeto de infraestrutura de descarbonização cofinanciado pelo programa TEN-T da União Europeia, “Greening European Transportation Infrastructure for Electric Vehicles” (“Tornando Ecológica a Infraestrutura de Transporte Europeu para Veículos Elétricos”).

Uma estação com o sistema de troca automática da bateria da Better Place, tem o custo de US$ 500.000 e é capaz de trocar a bateria descarregada de EVs dotados de um conjunto mecanicamente adaptado ela e, ao que tudo indica, ela  tensiona tornar tal tecnologia proprietária. O objetivo principal do projeto é o fazer a troca de uma bateria seja mais rápido do que encher o tanque. Conforme testes conduzidos, o sistema de troca é capaz de fazer a mudança dentro de um minuto.

A estação de troca de bateria usa um dispositivo robótico que remove a bateria descarregada para recarga e a substitui com uma bateria recarregada. O dispositivo robótico  pode manipular baterias de tamanhos variados e o condutor precisa, apenas dirigir o carro rampa acima e pará-lo sobre o vão retangular, o retante do processo é todo automático.

O sistema Better Place vem, pouco pouco, ganhando popularidade.

Final de 2012 e começo de 2013:

No início de outubro de 2012, Agassi se demitiu do seu papel como CEO da Better Place mundial, e foi substituído por Evan Thornley, que antes era CEO da Better Place - Austrália. Resumidamente, a princípio Agassi permaneceu no conselho da empresa, mas uma semana depois, ele demitiu-se nessa posição também.

Poucos dias após a nomeação de Thornley, a Better Place pediu aos seus investidores uma dotação financeira de emergência, totalizando cerca de US$ 150 milhões.

Em 29 de outubro de 2012, o Ynet, o site de noticiário de conteúdo geral mais popular de Israel, informou que a Better Place demitiria, naquela semana, entre 150 e 200 pessoas, de sua equipe de 400 pessoas em Israel, como medida para combater o seu problema de fluxo de caixa.

No final de janeiro de 2013, Thornley renunciou, e Dan Cohen foi nomeado novo CEO atuando pelo conselho.

Em seu projeto mais ambicioso fora de Israel, a Better Place havia planejado a implantação de 500 estações de carga, na Austrália, começando nas cidades mais importantes da costa leste daquele país, antes de se expandir nacionalmente.

A primeira Estação Better Place foi instalada em Camberra no final de 2011, mas em janeiro de 2013, depois de menos de 20 pontos de recarga públicos instalados, os novos lançamentos foram interrompido e o conselho da Better Place decidiu passar a se concentrar, apenas, em seus dois outros mercados pré-existente: Israel e Dinamarca.

Maio de 2013: Time out ... The Dream is Over! A Better Place declara Falência:

A Better Place declarou formalmente falência no último domingo de Maio, 26. A empresa israelense-americana tinha um projeto com a Renault para criar estações de troca de baterias.

A Better Place entregou a declaração de falência num tribunal de Telavive, em Israel. A ausência de mais fundos e falta de recursos para continuar com o projeto ditaram o fim da empresa.

Em um comunicado, Giles Normand, responsável pelas operações da Renault na região da Ásia-Pacífico, garante que ”estamos trabalhando para continuar a assegurar apoio pós venda para todos os carros elétricos em Israel, onde ainda se realizam mais de 80% de todas as operações da Better Place”.

A parceria entre a Renault e a Better Place começou em 2008. O objetivo era vender 100.000 unidades do Fluence ZE em Israel e Dinamarca, até 2016.  No entanto, a Renault vendeu apenas 1.000 unidades do Fluence ZE em Israel e 240 na Dinamarca.

Os proprietários podem continuar a carregar os carros elétricos em casa e a Renault compromete-se a cumprir a garantia dos veículos e a assegurar os serviços de manutenção.

Fonte principal:

Escritório Econômico e Comercial de Israel - São Paulo, Brasil

Outras fontes:

Better Place (Wikipédia, em inglês)

e-move.tv

Veja Também:

Pacote de Baterias dos VEs - Trocas, Recargas e Preocupações com Degradação por Recargas Sucessivas

Carro Elétrico Brasileiro - Pró-Tecnologia Nacional - Empreendedorismo

Motor CA de Imãs Permanentes vs Motor de CA de Indução vs Motor de Fluxo Axial

Muito pouco se cogita ainda sobre o emprego de motores de CC para aplicações em sistema de tração de veículos elétricos, no entanto, basicamente dois tipos de motores CA trifásicos dominam e disputam o cenário, sem que, aparentemente, nenhum deles prevaleça sobre o outro: um é o Motor de CA de Indução e o outro é o Motor CA de Imãs Permanentes.

Assim sendo, vamos traçar um comparativo entre os perfis operacional de ambas as máquinas, num jogo de perguntas e respostas, voltado às perguntas mais frequentes sobre Motores CA de Imã Permanentes.

Todavia, antes de prosseguir, para evitar a confusão que alguns leitores poderão estar fazendo, eu devo alertar que, quando falamos de Motores CA de Ímãs Permanentes (motor conhecido pelo acrônimo PMAC, do inglês Permanent Magnet AC) estamos falando de uma Máquina Elétrica já bem conhecida (se bem que ainda em evolução) e aplicada e, não, dos chamados Motores Puramente Magnéticos, atualmente apenas objeto de estudos, ensaios e curiosidade geral.

Mas fique a vontade para ver, também, sobre Os Ímãs Permanentes e os Motores Puramente Magnéticos, aqui neste blog.

1. Em termos de construção, como Motores CA de Ímãs Permanentes (PMAC) diferem de Motores CA de Indução?

No sentido mais amplo, a principal diferença está no próprio rotor da máquina. Num motor de indução de gaiola de esquilo, a corrente é induzida no rotor a partir do campo do estator, através do espaço de ar, e conduzida através de barras de alumínio (ou de outro material), que são mais frequentemente fundido nas ranhuras das lâminas do rotor. No caso de um motor PMAC, o próprio rotor já contém material magnético permanente, que pode ser montado na superfície da pilha de laminação do rotor ou incorporado dentro das laminações do rotor. Em qualquer topologia, a energia elétrica que produz o torque de rotação é fornecida através dos enrolamentos do estator.

Os Motores CA de Imãs Permanentes (PMAC) e os Motores CC Sem Escovas, são, de fato, muito semelhantes entre si, em termos de construção. Mudando apenas a forma de onda da tensão de alimentação, que é produzida pela unidade de acionamento: se é CA senoidal (para o PMAC) ou se é CC trapezoidal (para o motor CC Sem Escovas).

2. Quais são os principais benefícios do PMAC em contraponto ao motor CA de indução?

Motores CA de ímãs permanentes são inerentemente mais eficiente, devido à eliminação de perdas de condutores do rotor, o enrolamento de baixa resistência e "embelezar" curva de eficiência. Devido a sua operação síncrona, motores PMAC oferecem controle de velocidade mais preciso. Motores PMAC proporcionam maior densidade de potência devido ao fluxo magnético mais elevado, em comparação com as máquinas de indução. Finalmente, os motores de ímã permanente geralmente funcionam mais frios, resultando em uma vida útil mais longa para os rolamento e o isolamento.

Novas técnicas de enrolamento ("enrolamento concentrado"), permitem:

• Ao contrário de um "enrolamento" distribuído, utilizados em máquinas de indução, não há "slots compartilhados", o que essencialmente elimina o potencial para curto circuito entre fases;
• Voltas mais curtas aos finais dos bobinamentos reduzem o desperdício e  permitem ter mais espaço na caixa para o material ativo, contribuindo para a maior densidade de potência (voltas finais não fazem nada para gerar mais torque).

3. Quais são algumas das principais diferenças de desempenho entre o Motor CA de Indução e o PMAC?

A diferença mais óbvia é que o desempenho de um motor que PMAC gira à mesma velocidade que o campo magnético produzido pelos enrolamentos do estator, ou seja, é uma máquina síncrona. Se o campo é "rotativo" a 1800 rpm, o rotor gira à mesma velocidade. Um motor de indução, por outro lado, é considerada uma máquina assíncrona, como a sua velocidade de rotação é um pouco mais lenta do que a "velocidade" do campo magnético. Um motor assíncrono é dito ter "escorregamento" (a diferença entre a velocidade física do motor de, digamos, 1750 rpm, e a velocidade magnética seu estator de 1800 rpm) e o mais importante é que ele não poderia produzir torque sem que existisse esta pequena diferença de velocidade, caracterizada pelo rotor estar constantemente“tentando acompanhar" o campo magnético girante. A sincronização nos PMAC resulta em óbvia maior eficiência, melhor desempenho dinâmico e em um controle de velocidade mais preciso ... um grande benefício para aplicações de posicionamento exigentes.

Diferenças de desempenho incluem maior eficiência e fator de potência em um motor PMAC (embora o fator de potência do sistema com um Inversor de frequência não seja relevante, apenas com o motor sozinho, ele é). Uma vez que um rotor de ímã permanente não tem fios condutores (barras do rotor), não existem perdas I².R, portanto, com tudo o resto igual, um motor PMAC é inerentemente mais eficiente. Metodologia de enrolamento que produzam voltas finais mais curtas, oferece uma série de benefícios adicionais.

De um modo geral, os motores PMAC proporcionam maior densidade de fluxo, comparativamente, do que um motor de indução. Isto significa que mais de energia (torque) pode ser produzido de uma dada dimensão física, ou torque igual, produzida numa embalagem menor.

4. O que é a “faixa de rotação útil” para motores PMAC, em comparação com indução o Motor CA de Indução?

Máquinas PMAC normalmente têm uma gama mais ampla de velocidade do que as máquinas de CA de indução. No entanto, o número de polos pode ser diferente para os motores que estão sendo comparados e faixa de velocidade é também uma função da unidade que está sendo usado por isso o melhor é verificar com o fabricante sobre sua faixa de velocidade específica. Em geral, Platinum e ™ motores são classificados para torque variável ou constante para 20:1, sem realimentação (malha aberta) ou 2000:1, em malha fechada (com encoder).

4. Qual é a diferença entre motores de fluxo "axial" e "radiais"?

Em um motor de fluxo axial, a força magnética (através da abertura de ar) é exercida ao longo do mesmo plano que o eixo do motor, isto é, ao longo do comprimento do motor. Um motor de fluxo radial é o desenho mais tradicional, em que a força magnética é de 90 ° (perpendicular) ao comprimento do eixo do motor. Pense fluxo axial como os freios a disco em seu veículo, onde o disco gira como o rotor em um design de fluxo axial. Fluxo axial não é um atributo particular dos motores de ímã permanente.

5. Quais aplicações são mais adequadas, projetos para fluxo axial versus fluxo radial?

A resposta é: depende de com qual engenheiro você conversa. Alguns são "fãs" axiais e outros favorecem o radial. Sério, na maioria das vezes tudo se resume a "fator de forma": Se o cliente exige um motor mais longo, ou mais magro (radial) ou se é o desenho de uma "panqueca" (axial) que é mais adequado para a aplicação? O "desempate" pode ser na forma de custo, como o desenho axial, uma vez trabalhada para produzir, fornece torque equivalente mas usa menos material ativo i.e. ... é melhor em termos de densidade de potência.

Em meados de 2010, uma empresa australiana baseada em start-up, a Evans Electric, com sede em Sydney, emergiu de modo furtivo com o lançamento de um motor rotativo de alto desempenho para aplicação em VE. O lançamento foi de um Motor CA de indução de Fluxo Axial (tipo disco), que até então, era o único motor deste tipo proposto para aplicação em sistema de acionamento diretos de rodas de VEs, baseado nos princípios do motor de indução linear.

Apesar de pouco comum ainda, este tipo motor é de construção relativamente simples: um motor CA de indução com um estator completamente selado e fixo e apenas uma parte móvel, o rotor. Este motor de tração direta nas rodas consiste de um único estator de motor de indução linear de dupla face arcado em 180º e um rotor em forma de disco com barras em cadeia.

O potente veículo de demonstração idealizado contava com tração nas quatro rodas, com um motor  CA trifásico disco axial de 70 kW (95,2 CV) em cada uma da rodas de 19 polegadas, entregando um total de 280 kW (VE Sedan Esporte), impulsionado por um pacote de bateria de íons de Lítio A123 nanofosfato de alta densidade de potência de 400V, podendo acelerar de 0 – 100 km em 3s ou menos (meta de desempenho realista).

Este tipo de motor é concebido para ocupar o lugar os freios de fricção a disco convencionais e o rotor usa o mesmo sistema de chapel dos usados nestes freios, possibilitando a substituição direta, por ser um desenho de rotor de disco aberto, permite ao motor ser refrigerado as ar, evitando os custos e a complexidade dos sistemas de refrigeração líquida dos motores radiais e de motores completamente selados.

O uso de um Estator de Motor de Indução Linear significa que o motor não interfere com os ponto de fixação da suspensão, permitindo, em casos de retrofit, que a geometria de uma suspensão suspensão original seja mantida, permitindo ainda que este motor seja incorporado, indiferentemente, tanto às rodas dianteiras quanto traseiras.

O estator de dupla face é similar em fator de forma a um grande cáliper de freio hidráulico multi pistão e é montado diretamente sobre os terminais de fixação do cáliper do freio padrão, sobre as suspensão vertical, sem necessidade de qualquer modificação no sistema de suspensão e direção, reduzindo os custos de integração mecânica.

Veja o motor girando com apenas 1/2 estator:

Uma outra fabricante de motores de fluxo axial para aplicações em VEs, só que usando a tecnologia de motores PMAC (imãs permanentes), é a inglesa Oxford YASA Motors e o entusiasta inglês de VEs, Robert Llewellyn visitou essa empresa para mostrar em vídeo um pouco da tecnologia através da apresentação de ensaios de laboratório, não só para informar sobre o que faz esses motores tão especiais, de grande densidade de potência e de elevada eficiência funcionam mas, mostrar ainda como exatamente os possantes ímã permanentes dos motores elétrico funcionam.

Para aqueles que conseguem entender bem o inglês, mesmo sem uma base de ciência muito avançada, a explicação deste vídeo é relativamente fácil de entender, devido aos princípios simples envolvidos. Clique  na ligação abaixo para ver o vídeo.

Oxford YASA Motors

Um motor PMAC trifásico, em geral, não pode ser usado, sendo ligado diretamente a uma rede elétrica CA comum. Estes motores requerem, normalmente, o emprego de drivers com características específicos para a sua aplicação. O maior complicador que impede isso é com respeito a partida desse tipo de motor ter que ser feita diretamente da rede. Uma vez que este motor é desenhado para operação síncrona apenas e o transitório de partida direta é sempre uma operação assíncrona, isso torna tal aplicação inadequada.

Todavia, motores de imãs permanentes CA monofásicos, os chamados motores LSPM (Line-Start Permanent-Magnet Motor) já se encontram em uso corrente e, persistentemente, vem se buscando desenvolver aplicação de partida direta, também, para os PMCA trifásicos também, mas ainda sem aplicação comercial satisfatória.

A maneira tradicional de estudar o processo assíncrono de partida de um motor LSPM é dividi-lo em duas regiões diferentes:

1) a resposta da partida até o "ponto nominal de operação do motor de indução" e;

2) a zona de transição a partir desse ponto de sincronização.

O torque de aceleração é resultante pelo torque de gaiola (conjugado do motor) menos o torque de frenagem magnética e menos torque de carga (ambos compondo o conjugado resistente).

A tensão do estator desequilibrada para o caso de motores seja com condensador de partida e / ou condensador permanente, onde tais capacitores alteram a corrente de um ou mais enrolamentos de um motor de indução CA monofásico para criar um campo magnético rotativo, afeta tanto a operação durante o transitório de partida, quanto a do regime de sincronismo permanente. Todavia, uma análise detalhada do comportamento do torque do motor LSPM, somente é possível com uma combinação adequada dos componentes simétricos, avaliados na teoria dos eixos, que pode mostrar resultados precisos disso

Uma característica peculiar dos motores PMAC é com respeito a geração de F_CEM (Força Contra Eletromotriz) 1 que, quer o estator esteja alimentado ou não e, principalmente por ser uma máquina de imãs permanentes, faz com que o motor produza energia, gerando uma tensão induzida aos enrolamentos do estator, conforme o rotor gira, isto é, a máquina elétrica se torna-se um gerador.

A forma de onda da tensão resultante poderá assumir tanto forma de uma onda senoidal (CA) ou de um trapézio (CC), dependendo da fonte de alimentação da unidade, sendo esta a característica principal que difere entre um PMAC e um motor CC sem escovas. A intensidade da F_CEM produzida é diretamente proporcional a velocidade de rotação do rotor.

Devido a F_CEM do motor PMAC, se o motor está ligado à sua unidade de acionamento, então os componentes eletrônicos desta devem ser projetados para uma tensão máxima relativamente bem acima da tensão nominal que é provida pela unidade ao acionar tal motor, o que resulta numa arquitetura  em que, normalmente, não apenas o motor mas, também a unidade de acionamento devem ser concebidos para funcionar numa tensão nominal bem abaixo da tensão máxima dos com a qual são especificados os  dispositivos de comutação de eletrônica de potência. Isso envolve considerável elevação de custo.

Além do mais, se a velocidade do motor excede o a velocidade nominal máxima considerada no projeto (seja com a máquina tracionando a carga ou a carga tracionando a máquina) pode ocorrer da tensão máxima dos componentes de comutação do acionamento ser ultrapassada, resultando num efetivo risco de estresse e falhas da eletrônica de potência.

Todavia, note-se que, obviamente, as unidades de acionamento especificas para os PMAC são capazes de controlar ou "limitar" motor F_CEM quando se está operando corretamente. No entanto, quanto as falhas e perdas de controle do acionamento por sobre-velocidade, não pode se proteger.

Também um cuidado especial deve ser tomado por quem manipula motores PMCA pois, se o eixo girar, mesmo com a máquina totalmente desligada porém, com alguém tocando nos terminais enquanto o eixo está girando vai produzir um perigoso choque elétrico. Se o eixo está girando rápido o suficiente e, portanto, gerando maior tensão aos terminais ... tocar as conexões podem resultar em ferimentos graves ou morte.

Porque F_CEM aumenta a resistência aparente do circuito, proporcionando uma tensão oposta, um motor elétrico, que está já esteja girando consome menos energia do que quando ele está partindo ou mudando de  direção.

A fim de maximizar este efeito, os enrolamentos do estator devem ter a sua resistência reduzida, utilizando materiais como cobre de maior pureza ou ligado a prata, que têm uma baixa resistividade eléctrica, e as partes estacionárias nas proximidades do motor deve estar relativamente livre de ferro, a maioria dos tipos de aço, ou qualquer material que tem uma elevada histerese magnética.

Notas:

1. F_CEM é um acrônimo relativo ao termo "Força Contra Eletromotriz" que é um fenômeno relativo a Física da eletricidade (ou dos fenômenos eletromagnéticos) que significa uma força eletromagnética (uma tensão elétrica) que surge sobre um elemento de circuito elétrico denominado indutor (ou elemento indutivo, cuja principal característica éopor-se a qualquer variação brusca na corrente elétrica que flui por ele), em apenas parte do seu processo operativo. Como todo elemento armazenador de energia, o processo operativo do indutor (que acumula e armazena energia em seu campo eletromagnético) envolve, sempre, duas etapas:

• A de receber energia (etapa de carga ou de carregamento), e;
• A de ceder energia (etapa de descarga).

A F_CEM ocorre, somente, durante a etapa de descarga, e se manifesta na forma de uma tensão que surge repentinamente sobre o indutor, e que é sustentada pelo próprio indutor, pelo fato dele ter armazenado energia durante a etapa de carregamento, permitindo que ele opere como fonte de tensão na etapa de descarga. A tensão (F_CEM) tem a mesma intensidade, porém polaridade contrária, com relação á tensão da fonte que, antes, alimentava o indutor durante a etapa de carga, Por ter polaridade contrária, dai vem o termo Força Contra Eletromotriz. Havendo um caminho para circulação de corrente, na etapa de descarga a corrente pelo indutor fui no mesmo sentido em que fluía enquanto a fonte o alimentava (na etapa de carga), e com a mesma intensidade máxima em que ela se encontrava antes. A diferença é que, agora, é o próprio indutor que está operando como fonte de alimentação, fornecendo corrente, o que o faz ele ir se descarregando aos poucos. Assim a corrente irá decrescendo (aos poucos, pois o indutor se opõem a qualquer variação brisca da corrente), até que, com o indutor já plenamente descarregado, a corrente, em fim, cessa, desaparecendo, também, a F_CEM.

Se você achar que precisa conhecer melhor o processo envolvendo a carga e a descarga do indutor e sobre a sua ,F_CEM consulte sobre isso nas NOTAS da postagem do artigo Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 1/2).

Veja Também:

Ímãs Permanentes

Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Máquinas Elétricas CC Sem Escovas e Sem Ranhuras) - Parte 2/2

Motores Puramente Magnéticos

Novas (e Antigas) Escolhas sobre Tipos Máquina Elétricas (Motores) para VEs (para saber sobre motores e inversores multifásicos)

O Tesla Model S 2012 (e seus Dispositivos de Carregamento)

O Tesla Modelo S é um sedan de tamanho completo prêmio elétrico de alto desempenho, produzido pela Tesla Motors, lançado a partir do final de Junho de 2012, que tem a intenção de competir com carros elétricos esportivos de alta performance como o BMW Série 5.

Este modelo segue o plano da empresa Tesla Motors de expandir-se no mercado de carros esportivos de alto desempenho a partir do Tesla Roadster. O Modelo S foi concebido por Franz von Holzhausen, que anteriormente trabalhou para a Mazda North American Operations. O chassi, a carroçaria, o motor, e o sistemas de armazenamento de energia são exclusivos da Tesla Motors.

A Agência de Proteção Ambiental (EPA) dos EUA verificou uma autonomia oficial de 265 milhas (426 km) para o modelo S de luxo equipado com bateria de íons de Lítio de 85 kW·h , superando o Tesla Roadster e fazendo do Modelo S o carro elétrico com a maior autonomia disponível no mercado mundial atualmente.

O consumo de energia avaliado pela EPA foi de 855 quilojoules por km (38 kW·h/100 milhas), ou seja, um consumo equivalente a 89 mi/gal (2,64 L/100 km).

A Tesla também também estará lançando um modelo básico com uma bateria menor, de 40 kW·h, esperado entregar uma autonomia de 160 milhas (260 km) e um outro modelo de médio alcance com bateria de 60 kW·h bateria, ambos previstos no quarto trimestre de 2012.

A Tesla alocou a sua linha de produção para a produção dos primeiros 1.000 desses sedãs equipado com bateria de 85 kW·h, divididos em dois submodelos (denominados Signature e Signature Performance), com preços nos EUA de US$ 95.400 e de US$ 105.400(1), respetivamente (antes da aplicação de quaisquer créditos e incentivos fiscais do governo federal local dos EUA).

Já, o modelo S básico com bateria 40 kW·h e de 60 kW·h começam ao preço de US$ 57.400 e US$ 77.400(1), respectivamente, e antes de quaisquer subsídios do governo.

A tecnologia automotiva Tesla Motors continua sendo fiel a produção de apenas veículos elétricos puros, além das suas características próprias de performance e esportividade e motor empregado continua sendo um motor de indução trifásico (nada de imãs permanentes), refrigerado por fluído líquido, só que ele está ensanduichado entre os semi-eixos traseiros pois, o Tesla Modelo S é um Sedã que tem tração traseira.

1. Preços atualizados a 02/2013: Preço Inicial depois de aplicado o crédito de imposto federal dos EUA (de US$ 7.500): 52.400 (versão 40 kW.h); US$ 62.400 (versão 60 kW.h); 72.400 (versão 85 kW.h), 87,400 dólares (versão 85 kW.h, Incluindo sistema propulsor, que provê aceleração 0 a 96,6 km/h em 4.4s, interior e suspensão atualizados).

Desempenho Sistema de Tração:

Os Tesla Modelo S 2012 de luxo tem seu desempenho provido por um motor elétrico de 416 hp (310 kW) de potência e 600 N·m de torque montado na parte traseira do veículo.

Os modelos básico tem a mesma arquitetura, porém com parâmetros um pouco menores (porém nada modestos): 362 hp (270 kW) de potência e 440 N·m de torque do motor.

De acordo com a Tesla Motors o modelo S tem um coeficiente de arrasto de 0,24, o mais baixo de qualquer carro no mercado.

As duas diferentes versões de Modelos S de luxo (denominados Signature e Signature Performance, respectivamente), ambos com um pacote de bateria de 85 kW.h avaliado pela EPA obtiveram as marcas de velocidade máxima de 125 mph (201 km/h) e de 130 mph (210 km/h) com aceleração de 0 a 60 mph em 5,6 s e em 4,4 s, respectivamente.

Já as duas versões básicas do modelo S: com bateria de 60 kW h tem uma velocidade máxima de 120 mph (190 km/h) e acelera de 0 a 60 mph em 5,9 segundos, enquanto que o modelo base com bateria de 40 kW·h tem uma velocidade máxima de 110 mph (180 km/h) e acelera de 0 a 60 mph em 6,5 segundos.

Bastante diferente do lendário Tesla Roadster, o Tesla Modelo S tem um pacote de baterias plano, compondo uma plataforma baixa de aproximadamente 4 polegadas de espessura, de aspecto de cor totalmente preto, onde se alojam, interiormente, em torno de até 7.000 células de íons de lítio e que é montado, aparafusado, diretamente por baixo do Modelo S.

A forma de montagem do pacote de baterias privilegia o fato dele poder ser mais facilmente permutável. Todavia, a Tesla Motors assume que não está dizendo que tem planos de oferecer um serviço de troca, semelhante ao proposto e executado por empresas como a Better Place (que substituem o pacote de baterias descarregado de um VE, por outro previamente carregado, em apenas cerca de 2 minutos), mas o potencial para tal operação está lá e fala por si mesmo.

Ele foi projetado num arranjo de células fino o bastante para que o pacote seja uma parte integrante do chassis - tanto para que os engenheiros de Tesla reduziram o diâmetro das barras estabilizadoras, pois o pacote de baterias fornece suficiente rigidez à torção. Além disso, com todo o peso do pacote de bateria alocado no carro na parte mais baixa o possível,  contribui na manter o centro de gravidade também o mais baixo possível.

Na parte da frente, pouca coisa além do bagageiro. Apesar de ser elétrico, o modelo S parece um carro convencional, com um longo capô terminado por um focinho enegrecido ressaltado para fora que dá a impressão de tratar-se de uma grade do radiador. Na verdade, apenas três trocadores de calor relativamente pequenos estão alojados por atrás do pára-choques dianteiro: uma está lá em baixo, no centro que é o do refrigerante do motor e da bateria e o outro particionado, abaixo de cada um dos faróis para a refrigeração da cabine.

E ainda tem um espaço interno extra, surpresa, atrás.

As Recomendações da Tesla Motors Quanto ao Carregamento:

Antes de tudo, assim como os demais fabricantes de VEs, a Tesla orienta para que métodos de carregamento rápidos ou ultrarrápido, ou seja, todos os quais envolvem carregar as suas baterias, sejam as de 40kW.h ou as de 85 kW.h, em 1 hora ou menos (o que a Tesla denomina de Superchargers, que serão posicionados em locais convenientes ao longo principais rodovias em todo o país) NÃO DEVEM SER DE USO DIÁRIO e nem mesmo por demais frequente.

A Tesla recomenda, ainda, aos compradores do Modelo S que eles considerem trabalhar com a empresa parceira deles, a SolarCity ou com um eletricista credenciado, ou para instalar um “Conector de Alta Potência para Parede”, ou com a instalação de uma tomada NEMA 14-50. E sugere ainda que isso deve ser pensado e realizado antes da chegada o modelo S na garagem do proprietário.

Ela ainda avisa que, dependendo do sistema elétrico da residência, a instalação de um conector de parede de alta potência na amperagem máxima (100 ampères) pode ser mais difícil do que a instalação de uma (simples, porém não tão simples aqui no Brasil) tomada de 240 volts (50 ampères), devido à disponibilidade de energia que a instalação elétrica residencial oferece.

Ou seja, a Tesla está estimulando o carregamento doméstico como a forma mais adequada, inclusive para a vida útil da bateria do carro. A alta potência do Conector da Parede (fornecido por ela junto com o carro) pode ser (, de fato), configurada para qualquer nível de amperagem e, mesmo que a sua instalação elétrica residencial não permita que você execute o recarregamento a uma taxa de recuperação (ótima) de 62 milhas por hora (para a bateria maior, de 85 kW.h), você será capaz de desfrutar da comodidade de um conector, elegante permanentemente instalado.

Essa recomendação da Tesla é baseada no seguinte fato: devidos aos altos investimentos necessários e ainda a outros fatores mais complexos, mesmo lá nos EUA e, mesmo com um relativamente forte incentivo governamental, a implantação de redes públicas de carregamento de VEs estará levando um tempo considerável para atingir uma cobertura de área e de densidade considerada satisfatória, de modo que, garantir o carregamento doméstico dos VEs parece ser um a opção bastante válida e confortável, a fim de expandir o mercado incentivando novos os proprietários.

Em função disso, a Tesla está oferecendo um “Conector de Parede de Alta Potência” que é para ser instalado num circuito de tomada de energia elétrica dedicado de 240 volts e pode ser fornecido com até o dobro da intensidade em comparação a uma tomada.

No configuração de corrente mais elevada este carregador pode oferecer uma corrente máxima duas vezes maior que o “Carregador Simples” pode processar. Este é o lugar onde carregadores gêmeo entram em jogo, dobrando a capacidade de carga para 20 kW para coincidir com a (capacidade de) saída do conector de alta potência de parede.

Na verdade, a preocupação da Tesla é que, devido a alta capacidade da bateria empregada no Modelo S, que é de até 85 kW.h (40 kW.h no modelo mais básico) os proprietários dos seus VEs que precisem carregá-los em casa não venham a se sentir frustrados com tempos de carregamento absurdamente longos. Mas é bom que se esclareça que isso não será um problema apenas para a Tesla mas, de fato, uma preocupação que atingirá, na prática, todos os fabricantes de VEs e seus proprietários, haja vista que, a elevação das capacidades de energia das baterias de VEs é uma tendência geral e inexorável.

Obviamente que atingir a enorme capacidade energética de 85 kW.h, mesmo a um maior prazo, continuará sendo para poucos, pois nem todos os fabricantes estarão apostando no desenvolvimento de VEs para o exclusivo mercado de carros esportivos de alto desempenho. Todavia, o valor 40 kW.h ou mesmo algo superior, até quase próximo de 60 kW.h, ao meu ver, se tornará algo padrão no mercado de VEs populares em um curto espaço de anos.

Assim, o alerta da Tesla, quando diz: “Prepare a sua garagem!”, vale para todos os que planejam migrar para VEs algum dia.

Em verdade, a Tesla está oferecendo duas opções para o carregamento doméstico:

• A primeira, é o que eles chamam de “Conector Móvel” mas, chamam também de “Carregador Simples”, que nada mais é que uma estação de carregamento (EVSE) dotada com um plugue adaptador para ser ligado a uma tomada de energia elétrica.
  
  
  Porém, não se trata do circuito de uma tomada comum (que no Brasil estaria limitada a uma corrente de apenas 10A pela norma NBR 5410 e que nos EUA também é limitada, a 15A) mas, sim, de uma tomada especial que exigirá, fatalmente, a constituição de um circuito próprio e dedicado. Em outras palavras, a “mobilidade” deste “Conector Móvel” deve ser restrita a áreas que disponibilizem desse tipo especial de tomada, cujo circuito dedicado prevê a instalação de proteção por um disjuntor de 50A e que possa proporcionar a demanda de até 40A.

Este sistema, além de exigir a instalação de cabeamento apropriado para a demanda considerada, requer ainda o emprego de uma tomada especial, tendo sido homologado para tal o dispositivo denominado NEMA 14-50 (figura ao lado).

A tensão de trabalho dessa Estação de Carregamento Móvel é de 240V (220V) nominal (de 208V a 250V efetivos) e, a fim de evitar problemas de acidentes com incêndios por sobrecarga elétrica na rede residencial, devido a um possível uso incorreto, é altamente recomendada a não utilização de cabos extensores, o que poderia induzir os desavisados a fazer a ligação da mesma em uma fonte de 220V/240V, sem que haja nela a devida capacidade para a demanda de corrente (40A). Eu não encontrei dados sobre o comprimento total do cabo, que estabeleceria a distância máxima entre o porte da carga do VE e a tomada NEMA 14-50.

A potência efetiva do carregamento é limitada pela corrente, que será de 40 A, portanto, de 8,8 kW para tensão de rede de 220V e 9,6 kW para 240V, o que garantirá um tempo total para uma carga plena, entre 8,5 a 10 hs, considerando as baterias de maior capacidade dos Tesla S de modelo luxo, de 85 kW.h.

Todavia e, como não poderia deixar de ser, o conjunto de componentes que a acompanha, inclui um adaptador para conexão a uma tomada de energia elétrica comum (de 110V 15 A). Neste método de carregamento, implicando numa taxa aproximada de 1,65 kW.h / h, considerando a bateria de 85 kW.h dos Tesla modelo S de luxo, o tempo total de uma carga plena pode chegar a insuportáveis 51 hs.

Uma vantagem alegada pela tesla para essa estação de carregamento que é fabricada pela SolarCity é a de que a instalação da mesma não requer GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) ou seja, interruptor de circuito por falha de aterramento, lembrando que, tal dispositivo tem sido característico nas EVSE fabricadas até o presente momento, principalmente por motivo da segurança da operação (proteger pessoas contra choques elétricos). Sou forçado a crer que isso acontece pois, muito provavelmente, a proteção esteja integrada junto a caixa da unidade de carregamento.

Por tratar-se de um emprego da tomada NEMA 14-50, que foi concebida originalmente para ligação em sistema trifásico, em uma ligação apenas bifásica, o pino central inferior dela (figura ao lado), não é utilizado, ficando como não conectado.

Eu não tenho conhecimento de que exista, aqui no Brasil uma tomada semelhante a NEMA 14-50 (3P + T, ou mesmo uma 2P + T) prevista para emprego específico residencial com capacidade para 50A. O que existe é uma certa gama de oferta de dispositivos destinados a aplicações industriais, similares, para a capacidade, em geral, de correntes de 63A (ou abaixo disso, 32A) que poderão vir a ser adaptados para emprego residencial, já como uma prática corrente em função de atraso nas normalizações.

Segundo o item 6.5.3.1 da NBR 5410/2004, “as tomadas de uso residencial e análogo devem ser conforme ABNT NBR 6147 e ABNT NBR 14136, sendo esta última, na sua versão atual que é a de 2002, especifica características eletromecânicas limitada em até 20A apenas, para emprego residencial (se bem que a ABINEE em seu Painel Setorial INMETRO 2006 fala em 32A, porém, ainda é aquém da necessidade do carregador mais simples do Tesla S).

Todavia, esse é o método de carregamento mais fraco, previsto para esse VE, que apresenta a autonomia de 265 milhas com a bateria de 85 kW.h. Considerando uma tensão de rede de 220V, com esse método que demanda 40A, obtém-se a potência de carregamento de 8,8 kW, ou seja, carregamento total em estimados 9,65 hs, ou seja ainda, apenas 27,5 milhas de autonomia recuperadas por hora de carregamento (se a rede for de 240V, recupera-se 30 milhas/hora de carga).

No entanto, para maior comodidade dos seus clientes a Tesla disponibilizou a oferta de um segundo dispositivo/método de carregamento, prometendo aqui, recuperar (até) 62 milhas/hora de carga.

• A segunda opção de carregamento oferecido pela Tesla é, justamente, o tal “Conector de Alta Potência para Parede”, que é, também, essencialmente uma EVSE, é que requer um circuito adequado e exclusivo de alimentação CA a partir do quadro de distribuição de circuitos da residência.
  
  
  Esta estação de carregamento tem um cabo de comprimento de 25fts (7,6 m) e funciona também com uma tensão de 220V/240V porém, a sua capacidade de saída não é limitada a 40A fixos de demanda como a anterior, ao contrário, ela se ajustará a demanda do carro e é exatamente ai que entra uma característica estratégica do VE Tesla modelo S que justifica, inclusive, os diferentes preços ao consumidor do veículo praticados:
  
  

  Há o modelo dotado com um carregador embarcado (conversor CA/CC/CC) simples e há o modelo dotado de um carregador embarcado duplo (o que a Tesla está denominando “Twin Chargers”).

  
  
  Obviamente que o Tesla Modelo S com Twin Charger é o mais caro mas, em compensação, permitirá que o carregamento seja executado bem mais rápido, chegando, no limite extremo, às 62 milhas/hora de carga prometida, baixando os tempos de carregamento total para razoáveis 4,25 hs ~ 5 hs.
  
  
  Mas é obvio também, que operando a mesma tensão máxima disponível nas residências dos EUA (220V/240V) as correntes envolvidas, serão, consequentemente maiores, que poderá chegar aos efetivos 80A. Assim, os circuitos da instalação elétrica residencial que receber está estação de carregamento para o VE Tesla S, deverá ser dimensionada, incluindo eletrodutos, cabeamento e dispositivos de proteção, de acordo com o modelo do VE, exigindo, por exemplo disjuntores tão grandes ou maiores do que 90A para emprego exclusivo neste circuito.

Obviamente que, um Tesla S Signature Performance é, e será sempre, um luxo para poucos mas, em postagens anteriores, aqui neste blog, eu venho defendendo a necessidade de que os possíveis candidatos a proprietários de VEs médios, residentes no Brasil, passassem a considerar a preparação das suas garagens para a instalação de Estações de Carregamento de até 45A em 220V, prevenindo-se para até os próximos 10 ~ 12 anos (e tratar de ir esquecendo essa historinha de que vai dar pra carregar VEs, satisfatoriamente, com apenas uns 20A max. pois não vai mesmo).

No entanto, há que se considerar também que na Modalidade de Fornecimento em Baixa Tensão, das Concessionárias de Distribuição de energia elétrica, das principais regiões metropolitanas de São Paulo, por exemplo, a grande maioria das unidades individuais de consumo de energia elétrica residencial, é atendida com um sistema categoria B, que corresponde ao arranjo bifásico a três fios (Fase 1, Fase 2 e Neutro, tipicamente com 220V entre fases e 127V entre fase e neutro) e que neste sistema o limite superior de potência da carga instalada é regulamentado para não exceder a 25 kW.

Deste modo, a incorporação de uma estação de carregamento de 10 kW à instalação de uma residência, que pode até demandar a implementação de novos eletrodutos dedicados, já seria algo bastante grande (e preocupante). Todavia, a disseminação de alguns milhões de estações de carregamento com potências elevadas a ordem de 20 kW (4/5 da potência instalada máxima permitida pelo regulamento), seria, nas condições atuais, não apenas para as instalações elétricas das residências, como para todo o sistema elétrico interligado, algo deveras problemático.

Mas podendo-se aproveitar um máximo 10 kW para carregadores domésticos, já estaria de bom tamanho para começarmos aqui, lembrando, comparativamente, que o mesmo regulamento permite a instalação, por exemplo, de uma máquina de solda a transformador com até 10 kVA, em 220V, nestas unidades de consumo limitadas a 25 kW (e não me perguntem nada pois, só Deus deve saber porque a norma regulamentadora dessa concessionária se preocupou em discriminar "máquina de solda a transformador" para estes consumidores residências mas, o bom disso é que fica mais fácil de corrigir para "estação de carregamento de VE").

Agora eu estou ainda mais certo que eu não estava (e nem estou) exagerando quanto a isso. Portanto, muito trabalho para todos nós eletricistas, pela frente, na era dos VEs. Então acorda Brasil!

NOTA:

Todas as arquiteturas mais comuns de "operação de carregamento" de baterias embarcadas nos VEs incluem um conversor CA/CC com correção de fator de potência (correção de fator de potência intercalado ou baseado no circuito de boost) e todos os ensaios verificados na prática,  com o funcionamento de tal arquitetura, costumam, sempre, apontar para valores operacionais de fator de potência entre 0,97 e 0,995 (mais precisamente ≥ 0,99 operando entre meia carga e carga plena). 

Dai vem a razão de nunca nos preocuparmos em fazer qualquer distinção entre as unidades de medida de potência kW e kVA *(pois estas têm o mesmo valor), nas postagens deste blog. Tratamos especificamente de "carregamento" de VEs, sempre.

A Eletroquímica do Lítio e sua Aplicação em Baterias de VEs (Parte 5/5)

Ligação para as partes anteriores:  Parte 1  -  Parte 2  -  Parte 3  -  Parte 4

Queda da Capacidade dentro do Ciclo de Vida:

Tem havido uma grande variedade de aplicações que utilizam baterias de íons de Lítio, além de mais recentemente elas serem empregadas, especialmente, também em VEs, devido à suas elevadas capacidades, densidades de energia, bem como a boa reversibilidade do processo. Porém, como ocorre com todas as baterias recarregáveis, um dos problemas associados com o desempenho de baterias Li-ion continua sendo o gradual desaparecimento da capacidade de armazenamento, ao longo de um período de tempo em que se realizam ciclos de carga e descarga.

A deterioração da capacidade (ou envelhecimento) é causada por vários mecanismos, os quais dependem dos materiais dos eletrodos, bem como, sobre o protocolo adotado para se carregar a bateria. Não que o protocolo seja o problema, em si, mas sim, a taxa de carga associada a ele pois, elevadas taxas de carga, que ocorrem nos métodos de carregamento rápido, fazem a bateria envelhecer mais rápido.

A queda da capacidade em células de lítio podem ser atribuídas a reações secundárias indesejáveis que ocorrem, principalmente, durante o processo de carga, o que causa a decomposição (degradação) de eletrolito, a formação da película passiva, a dissolução de material ativo e outros fenômenos.

A medida que as baterias são submetidas aos ciclos de carga / recarga, ocorre um paulatino aumento da resistência internas delas, resultando, consequentemente, na redução da tensão a plena carga, com maior queda de tensão e dissipação de maior potência na resistência interma (R_INT), e em menor energia efetivamente entregue. É fato que o aumento da potência dissipada na R_INT, eleva a temperatura média de operação da bateria, criando um ciclo vicioso, que acarreta na aceleração do envelhecimento. Também é fato que, quanto mais intensas as taxas com a qual as baterias são descarregadas em cada ciclo, maior a queda da capacidade, por ciclo.

Testes realizados em células de bateria comerciais 18650 de LiCoO₂ (LCO) e de LiMn₂O₄ (LMO, como a que foi empregada no Nissan LEAF, ao menos até ano modelo 2013) mostraram que elas podem enfraquecer a capacidade entre 10% e 30%, respectivamente, após 500 ciclos de carga na taxa de 1C (taxa em em a bateria é descarregada no tempo de 1h), a temperaturas ambientes.

Além do mais, a perda de capacidade, por ciclo, aumenta com o aumento da temperatura ambiente, e portanto, este problema passa a ser acentuado em climas quentes, como o que temos em boa parte do norte-nordeste do Brasil.

Um ciclo de vida útil de vários milhares de ciclos de descarga / regarga estão sendo almejados para as baterias que estão sendo desenvolvidas para aplicações em VEs, antes delas atingirem menos 80% de capacidade no final da vida útil, mas tudo indica que capacidade extra terá de ser incorporada no projeto (mesmo que seja como capacidade oculta ao usuário), para compensar queda capacidade.

Na verdade, as baterias de híbridos plug-in e de VEs estão sendo projetadas de modo que o proprietário do veículo enxergue a mesma autonomia e desempenho, em final de vida útil, quando a capacidade da bateria de fato caiu de 20% (ou mais), comparativamente ao aquele ele experimentou no início.

Essa “ilusão” pode ser conseguida, não permitindo a utilização total da capacidade instalada durante a fase inicial da vida do veículo, ou seja, 20% da capacidade fica, inicialmente, escondida do utilizador.

A capacidade oculta é então progressivamente tornada disponível, a medida que o tempo passa e os ciclos de carga são realizados, com compensações progressivas, para compensar a perda de capacidade relativas aos ciclos e a idade. No fim da vida, 20% da capacidade se manterá escondida, mas isso é transparente para o condutor, que vai atingir a mesma autonomia ao longo da vida do veículo.

Esta estratégia significa que as baterias devam ser fabricadas 25% a maior do que a sua capacidade nominal efetiva. Dessa forma, também a exigência da quantidade de lítio empregado na formulação, aumenta, em conformidade, em cerca de 25%, acima da capacidade nominal da bateria.

No caso específico dos VEs puros, que dotados de baterias de alta capacidade de energia, o fator preponderante associado à redução da vida útil tende a se concentrar no método de recarga.

Com as tecnologias de baterias atuais, para se maximizar o tempo de vida útil delas, é altamente recomendável (e isso consta, claramente, dos manuais de proprietários dos VEs) se reduzir ao mínimo a utilização de métodos de carregamento rápido, que implicam em taxa de recarga elevadas, maiores do que 1C, priorizando-se, ao máximo o carregamento normal, menores do que 1C. 1

Já, no caso das baterias dos PHVEs (híbridos Plug-in) as questões envolvidas são um pouco mais complexas, abrangendo de modo mais serio, também, a forma mais exigente como a bateria é descarregada, que é de uma maneira, comparativamente, bem mais brusca do que em um VE puro. Tal fato tem resultado na divisão de duas vertentes de concepção de projeto de baterias Li-íons, que denominaremos, informalmente, “Bateria de Energia” e “Bateria de Potência”, como veremos a seguir.

“Bateria de Energia” vs “Bateria de Potência”:

Uma das dificuldades iniciais que eu mesmo tive quando eu comecei a estudar sobre a tecnologia das baterias de íons de Lítio foi, justamente, entender o “por que” os pesquisadores e fabricantes falavam tanto em “energia específica”, quanto em “potência especifica”, enquanto que, para mim, apenas a energia especifica parecia fazer sentido.

Hoje eu sei que aquilo ocorreu por puro preconceito meu, que na época (2009 – 2010), eu me preocupava apenas em entender sobre VEs puros, aguardando, com sofreguidão o lançamento por parte de alguma grande montadora de um VE puro que viesse ter a ter relevância mundial (até que veio o Nissan LEAF).

Eu simplesmente me recusava a aceitar a ideia de tentar entender sobre carros híbrido. Satisfeito o meu ego, e vencida aquela fase, eu pude lançar uma nova luz sobre a interessante variedade de tecnologias das células de baterias de Li-íons, tanto para VEs puros, quando para os Híbridos, que eu, antes, desprezava.

Uma “bateria de potência” é projetada visando o desafio de ter a habilidade de liberar sua carga bem mais rapidamente, de modo que ela possa fornecer uma alta potência, de uma forma bem mais abrupta. Isto se aplica as necessidades especiais dos veículos híbridos e tem sido conseguido, fazendo com que os elétrodos das células sejam bastante mais finos mas, com uma área de superfície grande, de modo que uma maior número de possíveis portadores de carga estejam perto da superfície do eletrodo.

Dessa forma, os átomos de Li podem, então, ionizar mais rapidamente para passar ao eletrolito e mover-se para o cátodo e ser intercalados no cátodo.

Revestimentos finos são, também, necessários devido à baixa condutividade dos eletrolitos não aquosos empregados (~ 10 mS/cm, ou seja, 10 mili-Siemens por centímetro), e ao fato de que os iões Li+ difundem-se lentamente através dos materiais de ânodo e cátodo e eletrólito, buscar acelerá-los é uma necessidade premente, neste caso.

A tecnologia LiFePO₄ (LFP) é a que tem uma difusividade particularmente pobre mas, isso não a torna, simplesmente, imprestável para ser uma “bateria de potência”, a ser empregada em veículos híbridos.

Na verdade, a Lítio Fosfato de Ferro (LiFePO₄) é apenas um dos materiais catódicos utilizados na classes das baterias de lítio fosfato de ferro que está recebendo a atenção da indústria automobilística para emprego em veículos híbridos.

A Valence Technologies produz uma bateria de Lítio Fosfato de Ferro Manganês (LiFeMnPO₄), enquanto que a LG Chem vende baterias de lítio fosfato de ferro (LiFePO₄) para o Chevrolet Volt e a A123 produz uma bateria de lítio nano-fosfato.

Assim, as baterias de lítio fosfato de ferro são apenas um dos três principais tipos contidos na família LFP, e ela continua sendo aplicável, com destaque para a elevada segurança e longa vida útil.

No entanto, curiosamente, a energia específica de uma "bateria de potência" é baixa porque a área de superfície em relação ao volume é alto – em verdade os eletrodos têm muito pouco volume interno para armazenar carga, uma vez que eles são tão muito finos.

Frente às dificuldades encontrada para que a tecnologia do lítio atendesse as demandas da indústria automobilística de veículos híbridos, em seus primórdios (lá nos idos em que, simplesmente, mataram os VEs), fez com que carros como o Toyota Prius fosse vendido no Japão, por mais de 13 anos consecutivos, com baterias de tecnologia NiMH, só vindo a adotar baterias de Lí-ion apenas recentemente, quando evoluiu também de HEV (hibrido sem conector para carregamento) para PHEV (híbrido recarregável), tornando-se plug-in.

PHEVs normalmente exigem baterias para ciclos de carga e descarga mais profundos do que os “veículos híbridos convencionais” (não plug-in). Como o número de ciclos completos influencia a vida da bateria, mantendo-se a tecnologia NiMH, esta tenderia a ser menor do que em híbridos tradicionais, que não gastam as suas baterias totalmente.

No entanto, a tendência é a de que PHEVs se tornem um importante padrão na indústria automóvel. Questões de design e de compromisso contra a vida da bateria, a capacidade de dissipação de calor, peso, custos e segurança precisam ser resolvidos. A tecnologia avançada da bateria está em desenvolvimento, prometendo maiores densidades de energia em massa e volume, e é esperado um aumento na expectativa de vida da bateria.

Para aumentar a energia específica, suficiente para armazenar as quantidades muito maiores de energia (carga) necessária para uma PHEV ou BEV, os elétrodos devem ser feitos mais espessos e com um volume apreciável a fim de armazenar armazenar mais carga.

A diminuição relativa da superfície em relação ao volume e, portanto, mais espesso, torna menos acessíveis a passagem para os portadores de carga armazenados no interior.

Assim, é o volume dos elétrodos que dita a capacidade de armazenamento (bateria de energia) enquanto a área de superfície dita taxa máxima de descarga (bateria de potência).

Assim, por definição, uma bateria de alimentação num veículo híbrido, que é necessariamente optimizada para taxa de descarga ("bateria de potência"), terá menor capacidade de armazenamento de energia nos seus elétrodos, do que uma bateria que tenha sido concebida para ser “bateria de energia”, com com elétrodos da mesma área de superfície, mas uma maior espessura.

A desvantagem para a bateria de energia é a de que os elétrodos mais espessos apresentam agora um maior impedimento para o transporte dos íons de lítio portadores de carga: eles têm maior resistência interna e irão sofrer perdas de energia mais elevada no interior da bateria.

Portanto, embora a capacidade de energia da bateria possa armazena mais energia em geral, proporcionalmente, ela perde eficiência energética no fornecimento dessa energia para a carga. Isso é inevitável.

Portanto, como o mercado se move no sentido da densidade de energia mais elevada, baterias Li-íon optimizadas para aplicações PHEV e BEV, a eficiência de utilização de lítio com base nesta métrica cairá, em comparação com a energia em baterias de lítio de potência, e mais lítio por unidade de armazenamento de energia kW.h será necessário, em baterias de energia otimizadas para PHEVs.

Em uma postagem anterior desta mesma série, nós vimos na seção em que apresentamos um "Diagrama de Ragone", com um material de catodo otimizado para o armazenamento de energia (o material 90-5-5 Phostech), ao invés de fornecimento de energia, é fortemente influenciada pela alta taxa de descarga, que torna a aplicação PHEV particularmente exigente - 50% da capacidade nominal pode ser perdida em estradas de altas velocidades.

Purificação Carbonato de Lítio:

Um outro fator que está sendo permitido é o rendimento do processo para purificar o carbonato de lítio grau técnico bruto em Carbonato de Lítio purificado de baixo teor de sódio (99,95%) necessário para o fabrico das células de bateria.

O Li₂CO₃ grau técnico produzido a partir de Atacama contém cerca de 0,04% de sódio (Na). Isto precisa ser reduzido para menos de 0,0002% de Na para utilização em baterias. Em alguns casos, uma pureza do Carbonato de Lítio ultra elevada de 99,995% é necessária.

Enquanto rendimentos de mais de 80% são possíveis em escala de laboratório, isto é mais difícil de realizar industrialmente, especialmente quando os requisitos de controle de pureza aumentam. 70% pode ser um valor para o rendimento mais realista de ser usado.

Conclusão:

Este documento informativo foi destinado a ilustrar a um não-especialista, os principais fatores reais eletroquímicos que reduzem significativamente a energia teórica específica e densidade de energia das baterias Li-íon.

Os principais fatores que reduzem a capacidade teórica de uma bateria de Li-íon são:

Perda irreversível de capacidade: lítio, que se torna irremediavelmente ligado ao anodo e ao catodo tornando-se inativo eletroquímico. Isto pode ser tão elevado quanto 50% do lítio originalmente posto no cátodo, antes que a bateria seja carregada pela primeira vez.

Taxa de descarga: esta é a principal variável que reduz paulatinamente a capacidade efetiva, enquanto a bateria estiver em uso. As “baterias de potência” necessárias para a utilização PHEVs, são mais sensíveis a este problema do que as “baterias de energia” e que o problema é ainda agravado por uso de baterias pequenas em um PHEV. Mais uma vez, até 50% da capacidade efetiva pode ser perdida em meio a altas velocidades.

Informações de fabricante sobre capacidades que só se aplicam às taxas de descarga baixas são de pouca utilidade na determinação de um ponto de referência realista para a capacidade da bateria de PHEV. Capacidade verificadas a taxas de, pelo menos, 1C deveria ser usado como um indicador realista.

Ciclo de queda capacidade de vida: baterias de VE são efetivamente 25% maiores do que a capacidade nominal declarada o para encobrir a queda de capacidade.

Um mundo real de bateria Li-íon para VE proporcionará nominalmente cerca de 25% da capacidade de energia teórica, ou seja, de 70 a 120 W.h / kg, em vez de ilusórios 410 - 450 W.h / kg. Isto traduz-se um requisito de lítio de pelo menos 320 g de lítio (1,70 kg de LCE, uma vez que 1 g de Li é encontrado em 5,323 g de Li₂CO₃) por kW.h de capacidade disponível.

Além disso, mais lítio deve ser adicionado a esta para compensar as perdas no eletrolito, de capacidade irreversível e de queda de capacidade.

As baterias de VEs são de dimensões reais 25% maiores do que a declarada, como forma de camuflar a queda de capacidade. Então uma provisão extra tem que ser feita subsídio tem de ser feita devido ao rendimentos do processo de purificação a partir do carbonato de lítio de grau técnico bruto ser de apenas 70%, mais as perdas inevitáveis no uso de controle de fabrico de componentes de alta pureza de Carbonato de Lítio da bateria em si.

Se, portanto, permitir algo em torno de 400 g de lítio (2,13 kg de LCE) por kW.h de bateria, com um rendimento de transformação de 70% para produzir aquele, um período inicial de 3 kg de carbonato de lítio de grau técnico em bruto será exigido por kW.h de capacidade da bateria definitiva utilizável.

Com 3 kg de LCE grau técnico como matéria prima por kW.h, a produção global atual de cerca de 100.000 toneladas matéria prima LCE seria suficiente, se toda disponível, para produzir apenas, cerca de 2 milhões baterias de 16 kW.h por ano. Mesmo a uma quantidade otimista de apenas 2 kg de LCE por kWh, assumindo rendimento de pureza muito elevada, a produção seria suficiente para produzir apenas 3 milhões de baterias de 16 kW.h PHEV por ano.

Assim, em 10 anos, precisaremos ao menos triplicar a produção mundial de lítio, ou corremos o risco de ver no mercado automobilístico, os VEs se tornando como que bonecas de porcelana, permanecendo raros e caros.

Lista de Normas e Práticas Recomendadas sobre Bateria no Âmbito Comitê Gestor da SAE:

Notas:

1. Dai, a persistência deste humilde2 blogueiro, em apregoar a importância da disseminação das Estações de Carregamento Domésticas, mesmo em locais do mundo que venham a se tornar privilegiados com infraestrutura de carregamento público (carregamento rápido).
2. E mal intencionado, sim, também, pois gostaria mesmo de poder tocar a "minha star-up", te vendendo as melhores EVSE de emprego doméstico, que eu já aprendi a fazer.

Fim!

Ligação para as partes anteriores:  Parte 1  -  Parte 2  -  Parte 3  -  Parte 4

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