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quarta-feira, 4 de julho de 2012

Sistema de Transmissão de um Veículo Elétrico (Nissan LEAF Powertrain):


O LEAF possui um motor elétrico de montagem dianteira de 80 kW (110 hp) e 280 N·m que emprega um motor CA síncrono (de imãs permanentes) trifásico para a tração de rodagem, energizado a partir de um módulo de baterias de Lítio-íon com capacidade energética total de 24 kW·h (86,4 MJ) especificado para entregar até 90 quilowatts (120,7 hp) de potência. O módulo de baterias, refrigerado a ar, contém células de bateria laminadas empilhadas com catodos de manganato de Lítio. O módulo de bateria e o seu controlador em conjunto pesam no total 300 kg (171,4 kg só a bateria) e a energia específica (energia por unidade de massa) das células das bateria é de 140 W·h / kg. Cada módulo de bateria adquirido a partir da Nissan custa em torno de US$ 18.000 (preço a partir de maio de 2010).

De acordo com os testes do ciclo de cinco anos que ainda vêm sendo realizados, a Agência de Proteção Ambiental os Estados Unidos apurou que o consumo médio de energia do LEAF como sendo de 765 kJ / km (21.25kW·h/100 km) e a economia de combustível poupado é avaliada em 1 galão de gasolina a cada 99 milhas (o equivalente a 2,38 litros a cada 100 km).


O consumo equivalente é de 45 km/l (106 mpg-US) em condução na cidade e 39 km/l (92 mpg-US) em rodovias (é isso mesmo, a eficiência na condução dos EVs é muito maior nas cidades do que nas estradas. O LEAF atinge uma velocidade máxima de mais de 150 km/h (93 mph). Extraoficialmente, testes desempenho verificaram que a aceleração de 0 a 60 mph (0 a 97 km/h) se dá em 9,9 segundos.

Talvez isso possa soar algo estranho mas, o Nissan LEAF, assim como o Tesla Roadster e ainda outros EVs, têm um sistema de transmissão com uma única relação. Não há necessidade de nenhuma outra engrenagem mecânica, porque existem características de potência e de torque do sistema de acionamento, que reduzem a necessidade de uma relação de engrenagem mecânica em um motor elétrico, quando acionado o por um inversor de frequência, como é o caso dos EVs.

Os controladores de acionamento (Inversores de Frequência) dos motores CA têm sempre melhorado ao longo dos anos. Em EVs antigos, com motores de CC, houve a necessidade de uma transmissão para permitir a condução reversa (marcha a ré), mas não há mais a necessidade disso.

Nos EVs atuais, o controlador do motor CA, tão somente, comanda o motor girar no sentido reverso, de modo que, mecanicamente, o carro poderia ser conduzido em sentido reverso à mesma velocidade que é conduzido no sentido avante. Obviamente que o fabricante impede que isso ocorra, com alguma proteção via software, aplicado ao controlador. Isto significa que um carro como um Nissan LEAF, não tem nada daquilo que um mecânico poderia chamar de "transmissão".

A potência de tração é transferida para as rodas dianteiras, por meio de uma engrenagem de redução de velocidade simples, uma única engrenagem de redução (de relação x7,94), por meio da qual o eixo do motor é rigidamente acoplado às rodas. Eu posso deduzir que possivelmente o motor CA síncrono do LEAF opere numa gama de velocidades de 0 a 9.000 rpm, enquanto o carro vai de 0 a 90 mph.

A relação Velocidade x Torque pode ser observada no gráfico de eficiência mostrado a seguir.


Podemos constatar que a curva de Velocidade x Torque do motor tem um pico de potência, muito próximo de 2730 rpm (equivalendo aproximadamente a 27,3 mph) de modo que, acelerando desde 0 a 27,3 mph o torque é constante e a potência varia, crescendo com a velocidade e, dai em diante, o motor gira com prejuízo de torque a medida que a velocidade aumenta, de 2.730 rpm até atingir 9.000 rpm (90 mph) final, mantendo, nesta faixa, a potência constante:


O sistema de motorização atinge uma elevada eficiência, de cerca de 95%, numa ampla faixa de funcionamento. Na média ponderada dos pontos de operação utilizados com mais frequência pelo veículo, a motorização elétrica ainda proporciona uma alta eficiência de mais de 90%.

A figura anterior mostra a performance dinâmica, com a relação entre as características do motor elétrico e do desempenho do veículo necessário em termos de força de acionamento e a velocidade do veículo. Com o motor elétrico fornecendo um torque máximo de 280 Nm e uma potência máxima de 80 kW, o Nissan LEAF oferece desempenho suficiente e prático comparável aos veículos com motor a gasolina, incluindo uma velocidade máxima de 150 km/h.

Ao contrário de um motor de combustão interna convencional, o motor do Nissan LEAF é puramente elétrico e operado por um Inversor de Frequência que possibilita oferecer um torque máximo desde velocidade zero, proporcionando aceleração suave e consistente, eliminado solavancos ou queima de fricção. O desempenho na gama de velocidade baixa a média é equivalente ao de um veículo a gasolina V6. Este sistema proporciona uma potência altamente sensível, divertida experiência de dirigir, consistente com as expectativas dos consumidores veículos tradicionais movidos a gasolina.

O motor do Nissan LEAF é um Motor CA Síncrono de Imã Permanente Interior, com um design original adaptado às necessidades de condução do veículo. Mesmo sendo de tamanho compacto, entrega uma alta potência e eficiência e permite uma resposta rápida e uma operação silenciosa. É desenvolvido com especificações de desempenho direcionados especificamente, para uso no exclusivo no Nissan LEAF e é fabricado pela própria Nissan. As principais especificações deste motor inclui a geração de um torque máximo de 280 Nm, uma potência máxima de 80 kW, uma velocidade de acionamento máxima de 10.390 rpm, pesando apenas 58 kg.


A aparência externa do inversor é mostrada na figura a seguir e as suas especificações estão listadas na tabela. O inversor recebe sinais de comandos provenientes do sistema através de uma Rede de Controlador de Área (rede CAN) e aciona o motor rigorosamente, por meio de um sistema de controle por realimentação em corrente. O projeto do inversor e de seus componentes, incluindo o módulo de alimentação com a sua estrutura original, foram idealizados tendo como premissa a refrigeração a água. Deste modo, o custo e o nível de desempenho foram optimizados, garantindo simultaneamente a confiabilidade necessária para aplicação específica no Nissan LEAF.


Assim como ocorre no Chevy VOLT, no LEAF a bateria de 345V é diretamente conectada a entrada de alimentação do Inversores provendo um barramento CC vigoroso, com tensão estável, protegendo os transistores do inversor. O Inversor fornece uma tensão 300 VAC (Nom), com correntes de 250A a 350A, para o motor girar, muito provavelmente usando IGBTs 600V.

Tanto o motor quanto o inversor foram desenvolvidos pela Nissan, e o sistema de energia gera 110 CV de potência e 207 lbf.ft de torque.

O Nissan LEAF possui frenagem regenerativa, de modo que, toda vez que reduzimos velocidade ou aplicamos os freios, o motor elétrico atua como um gerador elétrico, e a energia que ele gera não é desperdiçada, mas sim, é reconvertida de volta para a bateria. Assim, quando se conduz o veículo em uma descida de serra, dependendo do modo como se conduz, pode-se chegar ao destino com mais energia do aquela que se tinha na origem. Isto é verdadeiramente um fato.

Conduzindo o veículo no Modo Eco, reduz-se o ar condicionado, e aumenta-se a frenagem regenerativa em até 10%. O Medidor de energia do Indica o nível de energia da frenagem regenerativa, que é convertido de volta para a bateria Lítio-íon, assim como indica, também, o nível de energia consumida, durante a condução.

O motor de acionamento elétrico fornece resposta de torque notável e esta característica, por si só, pode ser usada para melhorar drasticamente a resposta do veículo a uma entrada em aceleração. No entanto, como os EVs não tem um conversor de torque, uma entrada súbita de torque pode produzir vibrações (agitação) torção no sistema de transmissão, causando um problema de um declínio visível no conforto de condução.


Um sistema mecânico de controle de vibrações, consistindo de compensadores feedforward e feedback, foi adotado para este acionamento na caixa do redutor, a fim de aproveitar a vantagem da capacidade do acionamento do motor de fornecer uma resposta rápida e suave do veículo quando este entra em aceleração, enquanto, simultaneamente, suprime a vibração. As figuras acima mostram os gráficos referentes ao controle de vibração.

Isso resulta na obtenção do bom desempenho de condução, de modo agradável, que caracteriza os veículos elétricos. A figura ao lado mostra a comparação de resposta de aceleração entre o Nissan LEAF e um veículo de motor a gasolina da mesma classe.
A aparência externa e vista em perspectiva do redutor é mostrado na figura ao lado. O motor elétrico é integrado a esse redutor de velocidade única. Um número mínimo de itens de redução de fricção foi adotado neste sistema redutor tal, como os rolamento de roletes, o óleo de baixa viscosidade, a estrutura de resistência anti vibração e o freio de estacionamento. Como resultado, uma eficiência muito elevada da motorização é alcançada, o que contribui para a extensão da gama de condução.

Sistema de Controle Elétrico do Nissan LEAF:

O VCM (Vehicle Control Module) é o controlador mestre que gerencia e realiza as trocas de informações entre ele e os demais controladores escravo do veículos. O VCM, então, decide e instrui na operação mais adequado do EV. As funções principais são as seguintes:



  1. Controla os procedimentos da inicialização e do desligamento sistema EV;
  2. Calcula da força motriz do veículo de acordo com a operação do motorista, com as condições da bateria e o estado do veículo, comandando o inversor para uma saída do torque;
  3. Calcula a melhor corrente de carga, de acordo com o estado da bateria, com a condição do monitoramento térmico e a capacidade de carga máxima da estação de carregamento, comandando no carregador embarcado;
  4. Reserva o tempo de startup do sistema para temporizar o carregamento e o ar-condicionado, etc;
  5. Controla um sistema de refrigeração, incluindo uma bomba de água e um ventilador do radiador;
  6. Calcula DTE (Distância Para Vazio), o tempo de estimativa para terminar um carregamento, e o consumo de eletricidade. Estas informações são exibidas em um mostrador na tela de navegação;
  7. Monitora e diagnostica os sistemas do EV e opera mecanismos de proteção a falhas e mensagens;
  8. Gerencia a comunicação entre os controladores do EV.
Unidade de controle eletrônico do Nissan LEAF

Conversões de Unidades de Medida:

Padrão Americano
Padrão Internacional
Grandeza Medida
1 mpg (milha por galão)
0.4251437 km/l (quilometro/litro)
consumo”
1 gal (galão)
3,785412 l (litro)
Volume
1 mi (milha terrestre)
1,609344 km (quilometro)
Comprimento
1 hp (horse power)
1,0138697 CV (cavalo vapor)
Potência
Outras conversões de unidades
1kW (kilowatt)
1,341022 hp (horse power)
Potência
1 kW·h (kilowatt.hora)
3600 kJ (kilo Joule)
Energia

Veja também:


Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos


Carlos Ghosn e "A Vingança do Carro Elétrico"





2 comentários:

  1. Parabéns pelo artigo, rico em informações. Por gentileza, poderia postar as referências ??

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    Respostas
    1. Ebarassa, saudações!

      Posso sim, Ebarassa, alias, isso me faz lembrar dessa minha "grande falta": eu raramente menciono referências bibliográficas em minhas postagens neste blog.

      As figuras utilizadas, principalmente, foram adaptadas a partir de figuras que aparecem no seguinte trabalho:

      Shinsuke Nakazawa, “The Nissan LEAF electric powertrain”. Apresentado no Internationales Wiener Motorensymposium 2011, como trabalho de número 32.

      O autor do trabalho, Dr. Shinsuke Nakazawa, era um antigo engenheiro da Nissan Motor Co., Ltd. e participou da criação de muitos inventos / patentes como você pode verificar em:
      http://pminer.org/inventor.do?m=viewInventor&name=Shinsuke%20Nakazawa

      Todavia, algumas fontes dão conta de que o mesmo é falecido, desde 20/07/2011:
      http://www.riemannfamily.com/obituaries/Shinsuke-Nakazawa/


      No entanto, você ainda pode aceder a uma cópia do referido trabalho em:
      http://wenku.baidu.com/view/8b44dd7f27284b73f2425075.html

      Caso você consiga realizar a proeza de fazer o download desse material, eu peço, por gentileza me envie uma cópia pois, eu mesmo nunca consegui (apenas consigo visualizá-lo).

      Abraços!

      Excluir

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