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domingo, 31 de março de 2013

Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética)


Do ponto de vista do Acionamento, aquele dispositivo ao qual chamamos "Motor Elétrico" em um Veículo Elétrico (VE), não convém ser chamado assim. A denominação mais conveniente seria, simplesmente, Máquina Elétrica. Isso pois, do ponto de vista do acionamento, tal máquina pode estar operando de 4 maneiras distintas, que são tecnicamente denominados Quadrantes de Acionamento.

Os Quadrantes de Acionamento contemplam, cada qual, diferentes comportamentos das variáveis do sistema “Velocidade” e “Conjugado” (ou "Torque", sendo torque e conjugado, sinônimos). Assim, na aceleração ou na manutenção da velocidade, teremos a Máquina Elétrica tracionando a Carga e, já na na desaceleração, teremos a Carga tracionando a Máquina Elétrica.

Quando temos Aceleração ou mesmo quando temos a Manutenção da Velocidade Estável, dizemos que um VE está operando no Modo Tração, onde o VE está consumindo Energia Elétrica a partir da bateria para se locomover, vencendo forças de oposição (resistência do ar, atritos, a inércia da sua massa e tudo mais que agir como resistência ao rolamento dos pneus do veículo) e movimentando a sua massa (e mais a dos ocupantes, bagagens, etc), a uma dada velocidade, em uma determinada trajetória, sobre numa Pista Plana ou de Aclive. Neste processo, a Energia Elétrica tomada da bateria está sendo convertida em Energia Cinética (energia relacionada com o estado de movimento de um corpo).

Note que é possível um caso particular, em que um veículo que esteja em movimento possa estar ganhando velocidade (aceleração), todavia, sem que ele esteja no Modo Tração. Isso é característico de locomoção em trajetória sobre pista de declive, onde, mesmo se utilizando do Freio Motor, o veículo pode ganhar velocidade, sem a necessidade de consumir energia a partir da bateria. Neste caso, é a Energia Potencial que está sendo convertida em Energia Cinética.

Já, quando operando em uma trajetória sobre numa Pista Plana ou de Aclive, se temos Desaceleração,  (independente se estamos ou não pisando no pedal do freio), dizemos que o VE está operando no Modo Frenagem, onde o VE não gasta nenhuma energia elétrica e, muito pelo contrário, pode até mesmo capitar a Energia Cinética do Movimento de Inércia que está no eixo das rodas e, recolhe-la para dispositivos armazenadores.

O conceito da figura está correto, no entanto, o desenho é apenas ilustrativo, pois, como a Máquina Elétrica (motor) recebe (ou entrega) Energia Elétrica do tipo CA e a Bateria (de íons de lítio) entrega (ou recebe) Energia Elétrica do tipo CC, então, elas são incompatíveis entre si, não podendo estarem conectadas diretamente uma a outra. No desenho falta mostrar alguns blocos importantes como o Inversor e o Conversor CC/CC, que intermedeiam entre a Bateria e o Motor.

De fato, num VE, essa capitação e recolhimento da Energia Cinética do Movimento de Inércia ocorre sempre, em qualquer situação de operação, que se faça uso do Freio Motor, tanto em desacelerações pista plana ou de aclive, quanto e, principalmente, no caso de locomoção em pista de declive.

Assim, ao utilizarmos os termos "Motor" ou "Gerador", devemos ter em mente que estes são apenas atributos funcionais virtuais de uma mesma Máquina Elétrica (ou modos de operação dela), pois, no Modo Tração a Máquina Elétrica atua como "Motor", enquanto que no Modo Frenagem, a mesma Máquina Elétrica atuará como "Gerador" e ele REGENERA ENERGIA.



Assim, podemos definir para um VE típico (como para qualquer outra aplicação motorizada em velocidade e carga variável), Quatro Quadrantes Acionamento, onde temos 4 situações distintas, as quais, de modo resumido, são as seguintes:
  • No 1º Quadrante: Aceleração, ou manutenção da velocidade estável do VE, com locomoção em Sentido Avante (Modo Tração em locomoção para avante). Assim, as variáveis: Velocidade (n) e Conjugado do Motor (CMO), assumem por convenção, ambas valores positivos. O motor está absorvendo energia da bateria (a energia vai da bateria para o motor) e este converte em energia mecânica (cinética) tracionando as rodas, movendo a Carga;
  • No 2º Quadrante: Frenagem do VE com locomoção em Sentido Avante. Caracteriza-se pela situação de Frenagem do Motor e, pela natureza operacional do sistema, ocorre sempre que a Referência de Velocidade (nREF) imposta pelo motorista ao Inversor (informada pelo Pedal do Acelerador) passa a solicitar uma velocidade de valor inferior do que o valor da velocidade atual (nREF<nATUAL). Em outras palavras, basta que se alivie o pé sobre o pedal do acelerador para que entremos no Modo Frenagem. Em oposição ao que ocorre no 1º Quadrante, não estamos tomando energia da bateria (ou outra qualquer outra fonte, como a própria rede elétrica de corrente alternada, por exemplo), mas sim, devemos procurar consumir a energia que já está acumulada (pelo movimento de inércia da máquina), seja este consumo feito por via elétrica ou mesmo mecânica. Todavia, como o VE (e toda a massa contida nele) continua se movendo para avante, a variável Velocidade (tal qual no 1º Quadrante) ainda tem sinal positivo mas, a variável Conjugado (torque), que precisará agir, agora, contra o movimento de inércia e, por conta disso, ele passa a ter sinal negativo;
  • No 3º Quadrante: Aceleração ou manutenção da velocidade estável, com consumo da energia da bateria e com tração da carga (portanto, também é Modo Tração), tal como no 1º quadrante, só que agora a locomoção é no sentido reverso, ou seja, isso ocorre quando estivermos acelerando ou mantendo velocidade, com o VE em Marcha a Ré. Agora, neste caso, ambas as variáveis, Velocidade e Conjugado têm o mesmo sinal, ambos sinais são negativos.
  • No 4º Quadrante: Modo Frenagem do VE, só que agora no sentido reverso, ou seja, de desaceleração em Marcha a Ré. Obvio, então, que a Velocidade é de sinal negativo e, o torque da máquina elétrica, que se opõe ao movimento de inércia, é de sinal positivo.
Obviamente que, a menos que você trabalhe como manobrista de estacionamento, os 3º e 4º quadrantes podem parecer ser de pouco interesse, mas de qualquer forma, eles precisam existir. Mas, o 2º quadrante em especial, é fundamental para os bons motoristas: é essencial que o torque de frenagem colabore com a estabilidade do carro. Em um carro de motor a explosão convencional (sem câmbio automático), você precisa fazer isso combinando a frenagem com a troca de marchas, em redução. Já, num VE, que são todos sempre automáticos, você só precisa tirar o pé do acelerador, que o carro já entra em modo frenagem de baixa intensidade, e fica muito mais estável, mesmo que você tire o pé do acelerador muito bruscamente. Assim, podemos resumir o acionamento da máquina elétrica de um VE no seguinte diagrama:

Deste modo, nos 1º e 3º Quadrantes, ambos Modo  Tração, a Máquina Elétrica, de fato, atua como Motor (recebendo, por meio do Inversor, energia elétrica vinda da bateria).

Já, nos 2º e 4º Quadrantes, ambos Modo Frenagem, o Inversor deixa de entregar energia a Máquina elétrica.

No entanto, simplesmente deixar de entregar energia ao motor não significa que o VE irá parar de imediato. O simples corte da entrega de energia corresponde a "colocar em ponto morto". Mesmo que, concomitantemente a isso, façamos atuar freios mecânicos (atrito de lonas ou de pastilhas sobre discos) nas rodas, o VE ainda rodaria por uma certa distância, até parar totalmente (se, no caso, parar totalmente for o objetivo do motorista).

Isso ocorre devido a Inercia, ou seja, a massa do carro já está se movendo, de modo que ela tem, em si, uma energia pré adquirida (e armazenada), então, neste caso, a priori, seria preciso a aplicação de uma energia de sentido contrário, que produza um contra-torque sobre o eixo da Máquina Elétrica, para reduzir a sua velocidade ou para pará-lo.

É ai que coisa começa a ficar interessante pois, em um VE, o tempo todo o eixo da Máquina Elétrica permanece acoplado aos eixos das rodas rodas.

Em geral, salvo no caso de emprego tecnologias mais arrojadas e caras, em que cada Roda do VE é dotada de uma Máquina Elétrica individual (ver sobre Motor de Fluxo Axial), em geral, esse acoplamento permanente não é realizado diretamente mas, sim, por meio do Diferencial, um antiquíssimo dispositivo mecânico que tem a função de dividir o torque disponível no eixo do motor entre dois semi-eixos, possibilitando a eles velocidades de rotações distintas. O diferencial possibilita torque igual para os semi-eixos, independentemente das suas velocidades de rotação.

Um diferencial transfere, mediante engrenagens cônicas, as rotações pelo Eixo Cardan para ambos os semi-eixos. Em geral, o diferencial é empregado nos veículos terrestres tracionados por motores de qualquer natureza, incluindo a maioria dos Veículos a Combustão Interna (VCI).

Para o VE entrar em locomoção (1º Quadrante) avante, o torque é produzido pela Máquina Elétrica e chega ao diferencial através do Eixo Cardan (eixo do pinhão), e assim é dividido entre as duas rodas de tração.

Sem o Diferencial, nós precisaríamos de duas Máquinas Elétricas, no mínimo, apenas para Tração Traseira, ou apenas para Tração Dianteira, um para cada roda e, também, dois Inversores, um para cada Máquina Elétrica. Os Inversores precisariam ainda estar sincronizados de uma maneira sofisticada, para produzir o efeito do diferencial, o que eleva muito o custo de tal VE(1).

Mas quando o carro está se locomovendo por força da inércia, obviamente suas Rodas ainda giram e, via o Diferencial, a Máquina Elétrica é forçada a girar também, o que torna ela, pela sua própria natureza física, num Gerador e como a Máquina Elétrica gera, entre os seus terminais elétricos surge uma Tensão Elétrica.

Ora, em geral, a Máquina Elétrica que traciona (mas que também desacelera, regenera e freia) os VEs é uma do tipo de Corrente Alternada (CA) Trifásica, (em alguns VEs, como no potente Tesla Model S, é um motor CA de indução trifásico, em outros, como no sedã compacto Nissan LEAF, é um motor de imãs permanentes CA trifásico), de modo que a tensão elétrica gerada assim o é, também (CA Trifásica).

Se não fizermos nada com essa energia que é gerada pela Máquina Elétrica nas desacelerações (frenagens), o VE ficaria sem o seu efeito de "Freio Motor" e, dependeria tão somente dos freios mecânico, que em geral atuam nos discos das rodas, para reduzir velocidade ou para parar.

No entanto, qualquer bom motorista sabe da importância do uso do freio motor para a boa e estável dirigibilidade de um carro. Ainda mais em locomoção sobre pistas em declive, ou em pistas molhadas, o freio motor é algo indispensável. Quanto mais pesado um veículo é, mais importante e mais cuidadosamente operado deve ser o freio motor, para manter o carro sob controle com segurança.

Dai a necessidade de fazermos algo, ou seja, consumir de alguma forma, a energia que é gerada na máquina elétrica dos VEs. É justamente o "consumo da energia gerada" que produz no eixo da Máquina Elétrica o efeito de contra-torque necessário à frenagem, ou seja, o efeito de freio motor.

Isso se torna ainda mais importante, a medida em que a grandeza “Tempo para Parada Total” se torna um problema crítico, pois apenas o freio mecânico, por atrito sobre as partes móveis, pode não ser  suficiente, a contento. Então devemos atuar na Máquina Elétrica, também, de modo a freá-la, desenvolvendo um conjugado (torque) específico para esta frenagem.

Para não tornar essa postagem muito extensa e complexa, eu não o farei neste momento mas, numa próxima ocasião, eu tratarei de explicar melhor toda essa dinâmica de operação da máquina elétrica de um VE, envolvendo as Convenções das Características do Conjugado (vários tipos de conjugado estão em jogo nela) e descreverei melhor, também, sobre Os Três Regimes de Movimento de uma Máquina Elétrica (aceleração, estável, desaceleração).

Mas vamos nos fixar, agora, apenas em quatro fatos:
  • Numa dada circunstância um VE precisará desacelerar;
  • Ao desacelerar a Maquina Elétrica é forçada a girar pela inércia e opera como um gerador;
  • Para frear diretamente na máquina elétrica, precisamos consumir a energia que ela gera;
  • Requisitos de sustentabilidade da tecnologia empregada são de fundamental importância para o desenvolvimento de projetos atuais.
Quais são, então, as opções que se apresentam? Elas são segundo o diagrama apresentado a seguir:


Poderíamos ignorar, completamente, os três últimos fatos apresentados acima e fazer uma frenagem puramente mecânica do eixo da máquina, mas essa não seria uma grande ideia.

Podemos nos lembrar do segundo e terceiro fato e fazer uma frenagem elétrica. No caso de elétrica, a frenagem pode ser por dois tipos: Reostática ou Regenerativa.
  • Reostática: Dissipa a energia gerada na frenagem em Resistores de Potência, na forma de calor (calor que, em geral, para nada é aproveitado). Quanto menor o valor ôhmico do resistor de frenagem, maior a corrente elétrica que circula e portanto maior o conjugado de frenagem (o contra-torque que atua no eixo da máquina, provocando desaceleração), o que faz com que a máquina elétrica pare mais rapidamente (maior desaceleração). Substituindo-se o resistor de frenagem por um curto circuito (resistor de resistência zero), o motor pararia bruscamente mas, uma parada por demais brusca pode não ser uma boa ideia. De qualquer modo, ao final deste processo todas as variáveis (velocidade e torque) terminam zeradas pois elas são interdependentes e, o calor gerado, se não puder ser aproveitado, vai para o meio ambiente.
  • Regenerativa: Sistema de frenagem que faz com que, para frear, a energia gerada na máquina elétrica (no caso o "motor" está se comportando como "gerador") seja devolvida à fonte que originalmente a forneceu, ou seja, no caso dos VEs, a sua bateria principal. Obviamente que a energia não poderá ir diretamente da máquina elétrica (CA Trifásica) para a bateria (CC). Ela precisará fluir através de circuitos de eletrônica de potência que cuidarão de transformá-la e acondicioná-la (primeiro pelo Inversor e depois pelo Conversor CC/CC, nessa ordem de fluxo).
Quando se trabalha com Inversores a frenagem regenerativa é preferível e, o tempo de duração da frenagem é uma função da inercia do tipo de carga (massa total, aerodinâmica do carro, etc). Assim sendo, deve-se promover o controle dela por meio do emprego de uma Rampa de Desaceleração.

Essa tarefa pode ser executada pelo mesmo tipo de regulação que é feita para a quando há a aceleração no modo tração (chaveamento do fluxo da energia por emprego de um trem de pulsos elétricos de certa duração variável), que também é realizada de modo a prover uma Rampa de Aceleração idealizada, tornando assim a frenagem, suave, tal qual a aceleração é suave.

Além do mais, a frenagem regenerativa é a mais ecologicamente correta, pois ela permite conservar a energia, de modo que ela possa ser, posteriormente, usada para realizar o trabalho útil. A frenagem regenerativa é uma ideia simples, porém engenhosas, pois, por reaproveitar energia, a frenagem regenerativa contribui para a sustentabilidade e o meio ambiente.

O Freio Regenerativo:


Um freio regenerativo é um mecanismo de recuperação de energia que produz um contra torque no eixo da máquina elétrica (motor) que causa a diminuição da velocidade de um veículo, convertendo a sua energia cinética em uma outra forma, geralmente em energia elétrica, que é realimentada de volta para a fonte que originalmente a forneceu.

A realimentação (regeneração) da energia nos VEs se dá por meio dos mesmos blocos de circuitos de eletrônica de potência (primeiramente o Inversor e depois o Conversor CC/CC) que antes alimentava a máquina elétrica (motor) quando o veículo estava atuando em modo tração (mantendo velocidade ou acelerando), ou seja, fazendo a corrente elétrica circular em sentido contrário por meio do Inversor. Por isso dizemos que o Inversor, agora, estará atuando no Modo de Regeneração.

De uma maneira geral, a energia regenerada pode ser:
  • Imediatamente utilizada, por exemplo, por um outro veículo que esteja, naquele mesmo momento, em aceleração e que se alimenta da mesma fonte do veículo que está freando (ex. do que ocorre com os trens elétricos), ou;
  • Armazenada até ser necessária, por exemplo retornando das rodas (energia cinética) para a bateria (energia elétrica).
Isto contrasta com os sistemas convencionais de frenagem, onde o excesso de energia cinética é convertida em calor pelo atrito nas lonas ou pastilhas de freio e, portanto, a energia cinética é, tão somente, desperdiçada (mais calor indo para o meio ambiente).

A forma mais comum de freio regenerativo envolve o uso da máquina elétrica, ou seja, do motor elétrico (nome adequado apenas quando em modo de tração) passar a atuar de modo reverso, ou seja, como um gerador elétrico. Historicamente, a frenagem regenerativa foi usada primeiramente em ferrovias, com sucesso, a partir dos anos 1930.

Num trem elétrico a energia gerada na frenagem é alimentada de volta para o barramento de alimentação mas, o seu bom aproveitamento, envolve, muitas vezes, o sincronismo de movimento das locomotivas presentes na linha, sempre devendo haver uma delas localizada nas adjacências, entrando em aceleração, no mesmo momento em que uma outra esteja freando e regenerando.

Já, em VEs de mobilidade pessoal, puros ou híbridos, a energia normalmente é armazenada quimicamente na uma bateria podendo, parte dela, ser armazenada eletricamente, também, em um banco de capacitores, ou ainda mecanicamente em um volante rotativo.

Um freio por regeneração de energia para baterias para VEs foi conceitualmente desenvolvido em 1967 pela Amitron AMC, cuja baterias eram recarregadas pela frenagem regenerativa, aumentando assim o alcance do automóvel. Porém, a Amitron AMC nunca foi além da fase de protótipo, pois, naquela época, as baterias de alta densidade de energia eram muito caras. Isso e outros fatores contribuíram para a decisão da AMC em suspender testes daquele veículo.

Quando os VEs começaram a renascer nos meados dos anos '90, as técnicas de regeneração de energia por meio do emprego de máquinas elétricas e circuitos de eletrônica de potência, utilizadas, principalmente, em aplicações de máquinas industriais, já haviam atingido uma maturidade bastante adequada e, portanto, regeneração de energia se tornou algo natural, inerente aos VEs.

Todavia, o Impacto da Frenagem Regenerativa sobre a Energia Entregue num Sistema de Tração de qualquer espécie de veículo é tal, que passou a ser visto cada vez mais como algo positivamente desejável, inclusive, altamente recomendada pela SAE International para veículos dotados de Motores a Combustão Interna e, essa é mais uma das razões para a existência da tecnologia de Veículos Híbridos.

Por agregar uma Maquina Elétrica (motor / gerador) ao veículo com Motor a Combustão Interna, tornamo-lo, também, apto a realizar frenagem regenerativa. Este simples diagrama mostra como um sistema de frenagem regenerativa é capaz de recuperar parte da energia cinética do veículo com motor a combustão interna convertê-la em energia elétrica. Essa energia elétrica é usada para recarregar a bateria do veículo.

Sistema de Frenagem Combinada:


Tradicional frenagem baseada em atrito é usado, também, em conjunto com a frenagem regenerativa da máquina elétrica, devido às seguintes razões:

O efeito de travagem regenerativa cai quando a operação se dá em velocidades mais baixas, por isso o freio de atrito ainda é necessário, a fim de trazer o veículo a uma paragem completa de modo seguro.

O bloqueio físico do rotor da máquina elétrica também é necessário para evitar que veículos de rolar descendo colinas, quando estacionado. O freio de atrito é redundante mas é ainda muito necessária no caso de uma eventual falha da frenagem regenerativa.

Na maioria dos VEs,  a frenagem regenerativa só tem efeito em algumas rodas (como, por exemplo,  no caso de um VE de tração apenas nas duas rodas dianteiras) e a potência de travagem regenerativa só se aplica a tais rodas porque elas são as rodas ligadas, via o diferencial, ao motor, por isso, a fim de fornecer controlado travagem sob condições críticas, como em estradas molhadas, a frenagem por atrito é necessária com base, principalmente, nas demais rodas.

Em velocidades muito elevadas de condução do VE, deve-se considerar, ainda, que a capacidade de absorção da quantidade de energia elétrica regenerada numa frenagem intensa é limitada pela capacidade da bateria em absorver esta energia. Isso varia dependendo do estado da carga da bateria ou condensadores.

Se já houver muita carga na bateria (e outros acumuladores) e, repentinamente se precise frear a partir de uma velocidade elevada, com grande inércia, os freios por atrito precisam estar dimensionados para, se necessário, realizar a plena frenagem praticamente sozinhos pois, o sistema gestor da bateria pode não permitir que ela receba tanta carga.

Assim, a frenagem regenerativa só pode ocorrer eficazmente, se a bateria ou outros armazenadores disponíveis, como capacitores, já não estão completamente carregados.

Por estas razões todas, é praticamente obrigatório se incorporar Frenagens Dinâmicas, em geral, as mecânicas (em certos caso, mesmo a elétrica reostática, também, combinado) para absorver o excesso de energia inercial, de modo que as frenagens dinâmicas trabalhem em cooperação com a frenagem regenerativa e mesmo cubra, por segurança, alguma eventual deficiência dela.

Conversão em Energia Elétrica - o Motor Como Gerador:


A frenagem regenerativa tem sido no uso extensivo em estradas de ferro por muitas décadas., sendo especialmente eficaz em passagens íngremes. Na Escandinávia, a ferroviária que vai de Kiruna a Narvik transporta minério de ferro das minas de Kiruna, no norte da Suécia, até o porto de Narvik, na Noruega. Os vagões estão cheios de milhares de toneladas de minério de ferro no caminho até Narvik, e esses trens geram grandes quantidades de eletricidade por sua frenagem regenerativa. A energia regenerada é suficiente para alimentar os trens vazios que estão no caminho de volta e, qualquer excesso de energia a partir da estrada de ferro é passado para a rede pública de energia para abastecer casas e empresas na região.

Muitos modernos VEs puramente elétricos e também híbridos utilizam esta técnica para ampliar a autonomia da bateria. Exemplos incluem o Toyota Prius, o Nissan LEAF, o Chevrolet Volt, o Honda Insight e o Tesla Model S e outros.

Até bem pouco tempo, uma desvantagem dos freios regenerativos, quando comparado com os freios dinâmicos (frenagem reostática) era a dificuldade de se suprir a necessidade de se aproximar as formas de onda das correntes gerada para as mesmas características das da fonte e o consequente aumento dos custos de manutenção das linhas.

Com as fontes de corrente contínua, como é o caso das baterias dos VEs, exige que a tensão seja  cuidadosamente controlada. Só com o desenvolvimento da eletrônica de potência isso tem sido possível com o fornecimento de corrente alternada, onde a freqüência de alimentação também deve ser correspondido (isso se aplica principalmente a locomotivas, onde uma fonte CA é retificada para motores CC).

Já, os Motores CA, tanto de indução quanto de imãs permanentes pode fornecer regeneração de modo muito eficiente. Motores CA geralmente podem regenerar quase com a mesma eficiência de quando operam em tração.

Inversores Regenerativos:


Num VE, na operação do Modo Tração, o inversor funciona como conversor CC/CA e na operação no Modo Frenagem, o sentido do fluxo de energia é revertido e ele funciona como um conversor CA/CC.

A fim de poder proceder a regeneração da energia com aproveitamento, transformando o energia elétrica do tipo CA (Corrente Alternada) Trifásica, gerada pela Máquina Elétrica, em tipo CC (Corrente Contínua) adequada para entrar na bateria, ao invés de, simplesmente, dissipá-la totalmente como a perda de calor inútil e poluente, precisamos que os VEs sejam dotados Inversores Regenerativos.

Inversores comuns (não-regenerativos), de emprego industrial, têm uma topologia em três seções:

  • uma seção de entrada (ponte retificadora a diodos);
  • um circuito intermediário reservatório de energia (banco de capacitores) e;
  • uma seção de saída (circuito inversor, propriamente dito).
Se a seção de entrada é uma Ponte Retificadora a díodos, que apenas permite que a energia flua numa única direção, em geral, eles operam de tal modo que a energia pode fluir livremente apenas da entrada para a saída e não em ambas as direções através das seções do inversor.

Os Inversores Regenerativos industriais mantém a arquitetura três seções, mas, para funcionar como uma unidade regeneradora, a energia deve poder fluir em ambas as direções. Em geral, a seção de saída já permite isso, mas apenas com a finalidade de que a energia "regenerada" fique presa na seção intermediária do Inversor (reservatório de energia) e para que o excesso dela possa ser dissipado reostaticamente. Mas isso não é, tecnicamente, regeneração mas, sim, frenagem reostática.

O circuito inversor básico (seção de saída) é um arranjo dotado de doze componentes de eletrônica de potência: 6 IGBTs e 6 Diodos Retificadores. Os IGBT(2) são responsáveis por chavear a energia que vai para a máquina elétrica enquanto que os diodos conduzem a energia que retorna da máquina, para fazer a frenagem. Este circuito é denominado Inversor PWM de 6 Pulsos.

Um pulso é produzido por um circuito controlador baseado em microeletrônica, para comandar o chaveamento de cada IGBT numa dada sequência combinada, ligando, de cada vez, um IGBT da parte superior e dois IGBTs na parte inferior, ou dois na superior e um na inferior, dependendo do momento da sequência(3).


Na verdade, cada IGBTs costumam já ser encapsulado juntamente com um diodo mas, muitos Inversores utilizam dispositivos em que todas as doze peças se encontram encapsuladas em conjunto, formando um único bloco.

Todavia, essa topologia de Inversor comum foi pensada para aplicações industriais, ou seja, aquelas em que a fonte de alimentação é uma Rede Elétrica CA, normalmente trifásica. Para os VEs temos que considerar, basicamente, duas diferenças.
  • A fonte de alimentação é a bateria CC principal do VE (não uma rede CA trifásica). Com isso, parte do nosso problema se elimina (não precisamos usar o retificador como seção de entrada). Além do mais, a bateria principal é intermediada para o Inversor através de um estagio Conversor CC/CC, de modo que os diodos que já existem no estágio de saída do Inversor são suficientes para prover a regeneração, cujo chaveamento de controle pode ser provido no próprio Conversor CC/CC. Se não for assim, outra opção é substituir os 6 diodos do estágio de saída por 6 outros IGBTs, associados aos que já existem, em antiparalelo, para poder realizar o chaveamento de controle durante a regeneração.
Se fosse para aplicação industrial, ao invés de VE, precisaríamos modificar (e não eliminar) a seção de entrada do Inversor. Ao invés de ponte retificadora com diodos precisaríamos de um bloco com uma arquitetura combinada Inversor-Retificador, ou seja, a seção de entrada se tornaria idêntica à seção de saída e, assim, teríamos um Inversor regenerativo, capaz\ de permitir fluxo de energia nos dois sentidos.

Uma segunda diferença a ser considerada é:
  • Um Inversor de apenas 6 pulsos faria a Maquina Elétrica vibrar consideravelmente, principalmente se ela for do tipo PMAC (motor CA de imãs permanentes). Os motores PMAC exigem uma unidade de acionamento projetada especificamente para motores de imã permanente, devido ao fato de que esses precisam de uma forma de onda de saída bem mais próxima da senoidal (mas não necessariamente senoidal pura) do que aquela que se poderia ter com o emprego de motores de indução. Isso acaba por resultar na produção de uma variação de torque mais suave e a técnica de comutação de corrente utilizada para controlar o torque do motor requer que cada comutação de fase deva se sobrepor, fazendo ligar, seletivamente, mais de um par de dispositivos chaveadores de potência de cada vez, o que caracteriza um Inversor Multinível. Apenas para se ter uma ideia, para se obter um razoável inversor de 4 níveis, a quantidade de componentes necessária, tanto da seção intermediária quanto da seção de saída triplicaria (3 bancos de capacitores, 18 IGBTs e 18 diodos, fora os diodos extra para grampeamento). 

Sistema de Freio Regenerativo de um VE:


Por que ela fornece um meio eficiente para recuperar energia, realimentando ela e volta para a bateria, nos VEs, o sistema de frenagem regenerativa é de fundamental importância para se prover uma extensão da autonomia do carro. Por isso busca-se, sempre, reaproveitar ao máximo toda energia cinética de inércia nas frenagens. No Nissan LEAF, durante a frenagem, o sistema pode recuperar até 39% da energia cinética do veículo e usá-lo para recarregar a bateria.

O Nissan LEAF, além de operar frenagem regenerativa, tem, também, um sistema de freios de atrito convencional, operado hidraulicamente que é operado em combinação cooperativa com a frenagem regenerativa, somando forças.

O completo sistema de freios do Nissan LEAF inclui:
  • Frenagem regenerativa a partir da sistema de tração dianteiro;
  • Freio a disco ventilado com anti-bloqueio e potência monitorada, controlada e distribuída independentemente nas 4 rodas;
  • Travão de estacionamento eletrônico nas rodas traseiras;
  • Mecanismo de estacionamento: uma lingueta engata, travando a engrenagem da caixa de  redução(4), impedindo da transmissão girar.
O sistema de freios hidráulicos é eletricamente assistido. O Nissan LEAF adota um "sistema de freio elétrico orientado inteligente" que é inerente ao VDC (Vehicle Dynamic Control Unit), com a aplicação de um pequeno motor de reforço interno que opera o pistão no interior do cilindro mestre para gerar força auxiliar. Um sensor de força ligado ao pedal do freio detecta a quantidade de frenagem desejada e informa o "sistema de freio elétrico orientado inteligente" do VDC.

Este sistema de freios possui uma função de frenagem regenerativa, de modo que o VDC realiza controle cooperativo do freio de atrito e da frenagem regenerativa de acordo com o curso do pedal de freio e da quantidade de energia realimentada da frenagem regenerativa cooperativa.

Um sensor de pressão no cilindro mestre informa o VDC sobre aumento ou diminuição da travagem auxiliar para a pressão dentro do cilindro principal ser igual a "pressão-alvo", derivado da quantidade de movimento do pedal do freio.


Concomitantemente às funções de controle da frenagem, o VDC recebe informação de, ainda, outros sensores e opera, também, a função de controle de tração, no intuito de buscar atingir uma ótima estabilidade e dirigibilidade. O VDC pode ajudar o condutor a manter o controlo do veículo, mas não pode evitar a perda de controlo do veículo em todas as situações de condução.

A autonomia pode ser estendida em cerca de 25% pela função de freio regenerativo, extensão avaliada no padrão LA4 da Agencia Ambiental dos EUA. Este sistema de freio adotou capacitores de reserva de energia embarcado, que operam como fonte em caso de falha no fornecimento de energia. O "Supercapacitor" armazena energia elétrica para uso do reforçador do cilindro do freio hidráulico.

O freio de estacionamento / emergência pode ser aplicado tanto enquanto parado, quanto durante a condução. O sistema de freio de estacionamento / emergência consiste de dois freios a tambor, um em cada cubo traseiro.



Por se mudar o seletor da unidade de configuração avançada para a opção disponível "B-Mode", pode-se otimizar o freio, aumentando a força da frenagem regenerativa e a resposta do freio.

(1) Apesar de mais sofisticados e caros, VEs assim estão sob P&D, pois a performance dinâmica deles é ótima mas, eu desconheço, atualmente, qualquer oferta de produto comercial em série, com essa tecnologia. Baseado no relatório de pesquisa Axial-Flux Permanente-Magnet Motor Designe For Electric Vehicle Direct Drive Using Sizing Equation and Finite Element Analysis, eu pretendo fazer uma futura postagem aqui neste blog.

(2) O IGBT é um Dispositivos Semicondutores de Potência de tecnologia híbrida que reúne em um único componente duas importantes características:

  • Características de comutação dos Transistores Bipolares de Potência: que permitem sua utilização no controle de elevadas correntes com baixas perdas quando no estado de condução. No entanto trazem certas desvantagens nas aplicações de potência, uma vez que suas características de entrada exigem que as correntes de base sejam elevadas, já que operam como amplificadores de corrente.
  • Característica de elevada impedância de entrada dos transistores de efeito de campo de porta isolada (MOSFET’s): com a vantagem de serem dispositivos controlados por tensão, tendo assim alta impedância de entrada. A intensidade do campo elétrico gerado pela aplicação da tensão a porta (Gate) controla a largura do canal que dá passagem à corrente elétrica principal. Mas os MOSFET’s têm como desvantagem que, para altas correntes, eles não pode operar em altas velocidades de comutação devida às capacitâncias parasíticas de porta (Gate). Tais capacitâncias parasíticas tendem a aumentar com a elevação da intensidade da corrente que deve ser controlada. No entanto, para baixas correntes de condução através do canal, o MOSFET pode operar com frequências bastante elevadas, normalmente superiores à freqüência máxima de operação de um Transistor Bipolar de Potência (TBPs).

O IGBT reúne a facilidade de acionamento dos MOSFET’s e sua elevada impedância de entrada com as pequenas perdas em condução dos Transistores Bipolares de Potência. Sua velocidade de chaveamento é determinada, a princípio, pelas características mais lentas – as quais são devidas às características dos Transistores Bipolares de Potência. Assim, a velocidade dos IGBT’s é semelhante à dos Transistores Bipolares de Potência; no entanto, nos últimos anos ela tem crescido gradativamente, permitindo a sua operação em frequências de até algumas dezenas de kHz, em componentes especificados para correntes na faixa de dezenas e até centenas de Ampères.

Juntando o que há de melhor nesses dois tipos de transistores, o IGBT é um componente que vem se tornando cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. De fato, praticamente todos os conversores modernos, sejam conversores CA/CC ou sejam Conversores de Freqüência (Inversores) têm a unidade de potência constituída principalmente de IGBTs, tanto na seção de saída para a operar a máquina elétrica, quanto na seção de entrada, a fim de operar a frenagem regenerativa.

(3) No inversor básico de 6 pulsos, os pulsos de tensão de porta para comando de cada um dos IGBT’s são controladas a partir de uma Máquina de Estados Finitos, onde cada estado corresponde ao chaveamento de:

  • Sempre três (e apenas três) IGBT’s são ligados simultaneamente de cada vez;
  • Nunca são ligados simultaneamente dois IGBT’s da mesma associação em série;
  • Nunca são acionados simultaneamente todos os três da parte de cima, nem todos os três da parte de baixo, pois isso não produz caminho algum para a corrente;

Referindo-se aos diagrama a seguir, a ordem de chaveamento é mostrada na tabela:

Nos gráficos apresentados a seguir temos as tensões que são conectadas para a carga por cada uma das chaves com o intervalo de tempo da comutação e a tensão total que pode ser vista entre a fase C e o Neutro central, para o caso de uma associação de cargas trifásicas em Y na saída.



Assim, vemos que a forma de onda da tensão na fase C com respeito ao neutro é formada por seis segmentos idealmente retos, como mostrado na figura. Por isso, este bloco funcional é denominado de um inversor de 6 segmentos (ou 6 pulsos). As formas de onda nas demais fases apresentam a mesma forma de onda que a da fase C, com apenas uma diferença de fase de 120° de uma em relação à outra.

Esta forma de onda na saída se semelha a uma forma de onda de CA senoidal, embora ainda possua muita distorção harmônica (possui componentes harmônicos de frequências mais altas).


(4) A Máquina Elétrica (motor elétrico) é integrado a essa Caixa de Redução de Velocidade Única, que é acoplada ao seu eixo de saída e pelo meio da qual, a potência mecânica de tração é transferida ao Eixo Cardan e deste para o diferencial e do diferencial para as rodas (na regeneração o caminho é o inverso). No Nissan LEAF, por exemplo, essa engrenagem de redução única é de 1 : 7,94. Vale lembrar que na mesma proporção em que a velocidade é reduzida na saída da caixa de redução, o torque é aumentado, de modo que a potencia é conservada.

Veja Também:


O Básico Sobre o Sistema de Tração de Veículos Elétricos


Os Inversores de Frequência dos Veículos Elétricos


17 comentários:

  1. Muito boa a matéria. Parabéns.

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    1. Obrigado, amigo, por comentar, elogiando! O seu estímulo é o que faz valer a pena!

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    1. Valeu! Obrigado pelo incentivo, Vitor Ferrari!

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    2. Obrigado, amigo, Vitor Ferrari, por comentar, elogiando! O seu estímulo é o que faz valer a pena!

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  3. Parabéns André! Gostei muito!

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    1. Ogrigado, colega. Continue apreciando outras postagens do nosso blog!

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  4. Gostei muito da matéria, a pouco tempo acabei de montar minha bike elétrica e uma boa opção para melhorar os freios é o sistema regenerativo juntamente com o sistema mecânico. Parabéns pela matéria.

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    1. Parabéns, Daniel, pelo êxito em montar a sua própia bike elétrica e obrigado por comentar, elogiando! O seu estímulo é o que faz valer a pena!

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  5. Excelente matéria, mas onde constam as referências? Fora esse detalhe está realmente muito completo seu texto!

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    1. Hoje, e aqui neste blog, eu mesmo sou a minha maior referência, amigo Anônimo, referência mais que suficiente, ao menos para mim mesmo, que é para quem eu, de fato, escrevo este blog! ... Tenho 25 anos desse hábito terrível de escrever artigos técnicos, e não preciso mais de referência bibliográfica alguma. Agora, não tenha dúvida que, muitas das figuras são NACIONALIZADAS, mesmo, na marra, prática da qual eu me orgulho e não abro mão de fazer. Se o seu problema é colocar as prementes referências bibliográfica na sua monografia de fim de curso, só para agradar o esquemas acadêmicos, parasitas e improdutivos, então, este problema é só seu, Se vira nos 30!

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  6. Material fantástico! Muito bem escrito e extremamente didático! Parabéns!

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    1. Obrigado por comentar, elogiando! O seu estímulo é o que faz valer a pena!

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  7. Material fantástico! Muito bem escrito e extremamente didático! Parabéns!

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    1. Obrigado por comentar, elogiando, Nathalia! O seu estímulo é o que faz valer a pena!

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  8. Matéria muito boa. Gostei demais. A evolução dos VE é questão de tempo.

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    1. Obrigado por comentar, elogiando, Flávio! O seu estímulo é o que faz valer a pena! Quanto a questão "tempo", devo comentar que o nosso país esteja perdendo o "timming" dessa questão. Eu confesso que, para mim, é algo ilógico e incompreensível quando um pais de porte considerável e que possui em sua matriz uma das infraestruturas de produção de energia elétrica mais limpas e renováveis do mundo, DEMONSTRE TÃO POUCO INTERESSE PELA TECNOLOGIA DO LÍTIO APLICADO A SISTEMAS DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA, principalmente para emprego em mobilidade, ainda que tal país tenha um vizinho que, mesmo sem saber direito o que fazer, possui as maiores reservas do planeta desse minério, enquanto que, até mesmo o maior banco de investimento do mundo, ainda que não entenda sobre tal tecnologia, olhando apenas para números, reconhece: O LÍTIO É A NOVA GASOLINA, TESLA ESTÁ LIDERANDO O CAMINHO. O desespero orgulhoso desse país em rapidamente recuperar a sua superendividada empresa estatal de petróleo e desenvolver seus novos campos dessa produção, está fazendo com que este pais se distancie, cada vez mais, daquilo que tem tudo para ser o seu próprio MELHOR FUTURO que, até hoje, ainda não chegou.

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