Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 3/3

Nesta postagem nós trataremos, mais especificamente, da Frenagem Regenerativa, além de, evidentemente, de abordarmos, em maiores detalhes o Sistema Mid-Drive de montagem do motor, que são os assuntos a dar continuidade a partir do ponto onde paramos na postagem anterior.

Contudo, antes de tratarmos de frenagem regenerativa, que é um assunto um pouco mais complicado, convém falarmos, também, simplesmente de frenagem das e-bikes, coisa que nós ainda não abordamos, em detalhe em nenhuma das séries de postagens anteriores.

Quem viu a imagem de um controlador de e-bike que é produzido pela gigante chinesa Focan Eletronic Factory, que foi mostrado na postagem imediatamente anterior, pôde perceber, entre o complexo emaranhado de fios com conectores que saem da caixa dele (pela via dos quais o controlador se conecta às várias partes restantes do sistema elétrico da e-bike) dois conectores que, em especial, estão denominados como "Brake Signal High" e "Brake Signal Low / Reverse"

Pois então, esses conectores são devidos para se ligar ao controlador aquilo que são chamados de E-Bike Brake Sensors (sensores de freio da e-bike), ou seja, nada mais nada menos do que dois interruptores, cada um deles associado a um dos manetes de freio (dianteiro e traseiro) da e-bike. Assim, manetes de freio toda bike tem, mas, manetes de freios com sensores, isso é coisa das e-bikes.

Não obstante, é digno de nota que um equipamento de sinalização luminosa de segurança já vem se popularizando mesmo para bicicletas regulares, sob a denominação do tipo "Lanterna Luz De Freio Seta Buzina 8 Sons Kit Segurança Bike", sendo que o mesmo contém um sensor de acionamento de freio, o qual poderia, sim, ser adaptado para a funcionalidade necessária das e-bikes, contudo, para a devida segurança, é requerido sensores de freio para ambos: traseiro e dianteiro (enquanto tal Kit, embora sendo interessante e barato, só apresenta um único sensor, e que se presta, apenas, para o sistema de acionamento por cabo).

Os sinais providos por tais interruptores servem para informar ao controlador que o ciclista está acionando um (ou ambos) dos manetes de freio. O controlador precisa se informado quando o ciclista aciona algum freio a fim de que ele tome as devidas providencias necessárias. A providência mínima necessária é, simplesmente, o controlador cortar o fluxo de energia para o motor, enquanto algum manete de freio permanecer acionado pelo ciclista.

Acontece que, quando se faz a conversão de uma bicicleta regular para e-bike, os manetes de freio originais existentes nela não permitem, facilmente, a adaptação dos interruptores que servirão como sensores. Não obstante os esforços de alguns que, de fato, conseguem fazer tal adaptação engenhosa sobre os manetes originais, existe no mercado a oferta de conjuntos completos que incluem manetes novos já com os devidos sensores montados no lugar e com toda o cabeamento necessário, adequado para simplificar o retrabalho da conversão bicicleta → e-bike.

Alguns desses conjuntos ofertados podem incluir, inclusive, cabeamento para conexão do acelerador (ou mesmo o próprio elemento acelerador agregado ao conjunto) que é requerido para os casos de e-bikes tipo potência sob demanda, contudo pedelecs não requerem isso e, assim, existem conjuntos específicos para as pedelecs,

Manetes de freio para a substituição com sensores de freio (interruptor para o cortar a alimentação do motor) tipo Hall com conector e cablagem padrão Bafang.

Neste ponto, alguém poderia dizer: Ah, mas quando eu aciono algum freio, eu solto o acelerador (ou paro de pedalar - no caso das pedelecs). Só isso já garante que o controlador irá levar a potência entregue ao motor a zero!

Sim, garantiria, porém, ficando na dependência de que você realmente o faça sempre assim. Todavia, você pode querer burlar esse comportamento (correto), ou mesmo, acidentalmente fazê-lo, de modo que os sensores associados aos manetes de freio são uma real garantia de que você não conseguirá (facilmente) aplicar potência ao motor com algum freio estando acionado.

Além do mais, a resposta do controlador a ativação dos sensores de freio são mais rápidas, gerando uma interrupção total do fluxo de energia mais abruptamente do que simplesmente desacelerando ou deixando de pedalar. Enfim, sensores de freio são para maximizar a segurança da operação.

Ao fazer um retrofit, caso você resolva adquirir um kit de sensor de freios (conjunto completo) você deve ter em mente qual o tipo de sistema de freio que você já tem (se é por cabo ou se é hidráulico) pois os kits diferem quanto a isso. Deve considerar, também, o padrão e a qualidade dos elementos sensores, dos cabos e conectores  (para não chorar depois). Os mais simples e baratos podem incluir, até mesmo, interruptores elétricos bem simples (do tipo push button 1) e conectores que têm, ambos, um baixo índice de proteção, o que pode significar que umidade e sujeira entrarão com o tempo.

Já, os sensores do tipo hall são muito melhores 2 (exite, também, a possibilidade de emprego de sensor do tipo capacitivo, apesar da oferta dele ainda ser rara), pois, seus corpos são selados, com alto índice de proteção, e o imã associado a eles que fica exposto na parte externa são ímãs resistente à ferrugem para uso ao ar livre (ou, ao menos, devem ser). Melhores sensores costumam vir acompanhados de melhores cabos e melhores conectores (em e-bikes, conectores com elevado índice de proteção também são importantes).

Eu, particularmente, não trocaria os manetes (menos ainda se o sistema original for hidráulico) e adaptaria o sensor do tipo hall, simplesmente fixando as partes, externamente, com bons adesivos. As opções são muitas, mas, vejamos algumas imagens:

Acima, á esquerda um manete com sensor de freio tipo Hall com push button 1. Nas demais imagens, um sensor de freio Hall que pode ser utilizado em uma instalação sem a mudança dos manetes de freio.

Ao instalar o sensor de freio do tipo Hall, prender a extremidade do sensor tão perto do manete quanto possível e o imã sobre o manete bem próximo do sensor. Quando a manete de freio é puxado, o imã vai afastar-se do sensor e o controlador é informado que deve cortar potência do motor, quando a manete é liberado e o ímã vem para perto do sensor, o controlador é informado que deve ligar a potência de volta ao motor. É por isso que é melhor que você instale e teste um sensor de cada vez, porque se você tem um segundo sensor ligado, mas não devidamente ajustado em proximidade suficiente para com o imã, o motor será cortado, e você não poderá estar usando o operação do motor para fazer uma instalação fácil e permite-lhe afinar a distância desejada entre o ímã e o sensor.

Quando tiver concluído a instalação e teste do primeiro sensor, em seguida, conecte o segundo sensor e repita. Adesivo 3M adequado é ideal, mas cola quente funciona muito bem para esta aplicação e permite uma melhor instalação ao montar superfície não é plana ou contornos. O sensor e ímã também pode ser instalado no lado inferior da alavanca do travão para um visual mais limpo. Certifique-se de prender o cabo do sensor depois de conectado, para, no caso de ele ser desconectado ele ser impedido de ficar pendurado e enredar-se nos raios da roda dianteira.

Quanto a maneira de ligar o conector deles ao controlador, tenha cuidado, pois, controladores genéricos variam quanto aos sistemas de conectores que eles apresentam (ou seja, não há um padrão), enquanto outros (como a Bafang, por exemplo) utilizam sistemas proprietários de cabeamento e de conectores. Entre os controladores genéricos eu encontrei, basicamente, três versões de forma de conector para os sensores de freio:

• Um único conector apenas, com um par de fios: isso está presente em certos controladores de menor porte, e, em geral, corresponde a uma entrada de sinal digital que é ativa em nível baixo (nível lógico 0, ou seja, com a entrada levada ao potencial de GND) e costuma ser denominada "Brake Signal Low" (ou Brake Level Low, ou coisa semelhante).  Se são dois os seus sensores (freio dianteiro e freio traseiro), neste caso você precisará fazer a interligação dos seus dois sensores em paralelo, antes de conectá-lo aos conector do controlador. Os dois fios presentes no conector do controlador são o "SINAL" e o "GND" (GND costuma ser o fio de cor preto, enquanto o SINAL é o outro fio (sem cor padronizada), que é a entrada que avisa a atuação do freio ao controlado). Se os seus sensores forem do tipo eletrônico (muito populares, atualmente), tal como Sensor Hall ou Sensor Capacitivo (e não um simples interruptor eletromecânico), você precisará acrescentar um fio extra que, neste caso, é o positivo (Vcc, em geral de 5 V), por fora;

• Dois conectores com um par de fios em cada um: este é, de fato, o arranjo mais comum e que não causa muita preocupação, pois, é simplesmente para ligar um sensor para cada um dos conectores. Essa configuração as vezes pode mudar uma outra forma que acomoda todos os 4 fios em um mesmo conector de 4 terminais, ou, numa outra forma em que apenas dois fios saem do controlador, mas eles derivam para dois conectores de dois terminais cada (conectores ligados em paralelo). Se constatar que precisa trocar o modelo do conector para compatibilizar fisicamente a conectividade, você pode optar fazer um cabo extensor curto, ou, sendo possível, trocar do lado que o conector empregado for que menor qualidade (mas evite o costume de emendar fios e isolar com fita isolante).

• Dois conectores, um com um par de fios e outro com apenas um único fio: isso foi elaborado para prover versatilidade, mas, pode acabar por complicar para alguns montadores. É neste caso que aparecem as designações: "Brake Signal Low" (conector com dois fios) e "Brake Signal High" (conector com apenas um fio). Para complicar ainda mais "Brake Signal Low" as vezes  muda de designação para "Brake Signal Low / Reverse", e, ai, o conector passa a ter três fios (como visto na figura ao lado).

Como eu já havia discursado na postagem anterior, a grande maioria dos controladores (e outras partes todas do sistema elétrico das e-bikes) made in China (até mesmo os produtos das grandes e líderes) são pobremente documentados, o que faz com que seus adquirente precisem se tornar em verdadeiros desbravadores para desvendar e entender como ligar as partes todas, como e quando os recursos ou funções dos controladores agem sob os efeitos da ativação de cada entrada que eles dispõem, e como, exatamente, ativar cada uma dessas entrada, dispondo de parcas informações (que acompanham o produto após adquirido, sendo que, na hora da escolha, isso é ainda pior), e sem que haja padrões (até mesmo para as nomenclaturas).

Diante dessa tamanha "balbúrdia em conectividade", muitos podem "pedir para jogar a toalha" e preferir algo bem mais "limpo e enxuto", tal como o que é mostrado abaixo:

Acontece que o Kit mostrado acima (The E-BikeKitTM apenas parcialmente) apesar dele ser, de fato, fácil de conectar os cabos dos sensores de freio e, de você pode, até mesmo, poder adquirir as partes mostra nele em separado, te coloca na situação de você ter que adquirir, no mínimo, tudo o que está sendo mostrado na figura (o controlador e o cabeamento, além dos manetes de freio com sensores), só para poder resolver o problema de conectividade dos cabos dos sensores de freios. Isso te colocando em outra enrascada, pois, o cabeamento todo, para conectar as demais partes, é um sistema de conexão proprietário, o que te obriga a comprar o Kit todo, que, alias, por acaso vem sem a bateria  (de modo que você terá que preocupar com a conectividade dela, também).

Fato é que existem diferentes ofertas de kits para e-bikes com sistema de cablagem e conexão proprietários (ou quase proprietários), sendo produzidos em vários cantos do mundo, sem que haja compatibilidade de conectividade entre eles, e, sem que cada um deles próprios sejam completos, o que leva alguns montadores de e-bikes engenhosamente mais habilidosos a desejarem agregar algo extra a eles, mas encontrando dificuldade de conectividade e de falta de documentação satisfatória para fazer isso.

Além disso, apelar para kits com sistema de cablagem e conexão proprietários pode não ser (e de fato não é) a solução mais barata, e te deixa limitado. Além do mais, olhando bem, alguns conectores oferecidos (como, por exemplo, os da imagem anterior) nem me parecem, assim, tão bem protegidos.

Diante disso, os genéricos podem te levar a alguma vantagem, pois, eles são oferecidos em grande variedade e te dão margem para criar, elaborar e testar arranjos de conexão com diversas partes, diferentes tipos de sensores, etc, não pela documentação deles que, como foi dito, costuma ser insatisfatória, mas, pelo simples fato que você não precisará vandalizar conectores e cabos que foram montados para serem inviolados.

Repare no diagrama de conexão apresentado ao lado: ele é associado à documentação de um controlador de e-bike fabricado pela Shenzhen Vire Silicon & Technology Co., Ltd, Empresa de Hong Kong cujo Foco Principal tem sido o de desenvolver e fabricar produtos para o mercado de decodificadores MP3 / MP4 / MP5 (controlador de e-bike é só "um lance a mais"). Repare que a conexão de freio te apenas um fio. Isso é tudo o que você pode encontrar na documentação do produto que é oferecida (e nada mais).

E olhe que esse controlador, VIRE-24-48V-2400W-01C, não é de pequeno porte nem um qualquer. Ele integra 24 MOSFETs para realizar os chaveamentos de intervalos (60° ou 120°) e de PWM da Potência (e não apenas 6 MOSTETs, como os controladores mais comuns) e tem características alegadas como adequadas scooters e triciclos (elevada potência). Contudo, a documentação dele é parca. Não informando, sequer, como ligar um simples sensor de freio a ele.

Você poderia deduzir, obviamente, que por ser apenas um único fio presente ao conector, ele só pode ser o fio para entrada do SINAL. Ok, eu também creio que isso é algo lógico, mas, falando em lógico, qual será, então, Nível Lógico que causa a ativação de tal sinal de entrada? Alto ou baixo? "1" ou "0 "(isto é, conectando o fio de SINAL ao V_CC ou ao GND)? Comumente existe ambos os casos em controladores genéricos. O que muitos acabam fazendo é, simplesmente, aplicar a "tentativa e erro", experimento as duas formas de ligação e observando o resultado. Isso é horrível!

É, deveras, uma pena a pobreza de documentação que eles costumam apresentar (independente deles não terem, também, uma padronização). Então vamos "decifrar":

Esquema de ligação entre um Sensor Hall e a entrada Brake Low Level
(ou Brake Signal Low) do Controlador

• Brake Low Level (ou Brake Signal Low): Apresenta apenas 2 fios no conector que vem do controlador: Um fio é "Sinal" e o outro é "GND". Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal (que pode ser medido entre os dois fios,  "Sinal" e "GND" presentes nesse conector) é "nível alto" (nível lógico 1 ou uma tensão próxima equivalente a do V_CC interno do controlador, normalmente +5 V). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível baixo" (nível lógico 0 ou GND, dai vem o termo "LOW" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada (que resulta na ação do controlador cortar a energia para o motor), pode se feita, então, simplesmente interligando os dois pinos do conector ("Sinal" e "GND"). Entretanto, fato é que um sensor, seja ele do tipo Hall ou do tipo Capacitivo 2, apresenta 3 fios: "Vcc", "Sinal" e "GND", de modo que isso te obriga a ligar um fio extra ao conector cabo elétrico do sensor, que é o fio do Vcc (que serve para prover alimentação ao circuito eletrônico que existe interno ao invólucro do sensor).

Quando se fala em sensores para emprego em máquinas industriais, costuma-se empregar as designações Sensor NPN e Sensor PNP 3 para diferenciar quanto a dois tipos possíveis de chaveamento da saída dos sensores. Contudo, no contexto das e-bikes, eu ainda não vi tais termos sendo empregados, e ao que me parece, se não todos mas a grande maioria dos sensores empregados devem ser do tipo NPN, ligados como mostrado acima.(lembrando que, as cores dos fios também não segue o padrão industrial). Contudo, caso opcionalmente se empregue sensores do tipo PNP, então você precisará conectá-los a outra entrada:

• Brake High Level (ou Brake Signal High): Apresenta apenas 1 fios no conector que vem do controlador: o fio de "Sinal", apenas. Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal é "nível baixo" (nível lógico 0 ou uma tensão próxima equivalente a do GND). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível alto" (nível lógico 1 ou Vcc, dai vem o termo "HIGH" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada , pode se feita, então, simplesmente interligando ela ao Vcc.

Contudo, há ainda, outra diferença quando se usa essa entrada, que vai além da questão do tipo de chaveamento de saída PNP / NPN dos sensores:

Ativar essa entrada não resulta na ação do controlador apenas cortar a energia para o motor, mas, sim, dele realizar uma efetiva frenagem elétrica do motor, muito mais brusca e firme, fornecendo a suficiente potência de travagem para trazer a e-bike a uma parada completa rapidamente, mesmo sem usar os freios da bicicletas em tudo, e fazendo o motor resistir à rotação da roda.

Isso é feito, porém, sem significar, necessariamente, que esteja havendo alguma efetiva frenagem regenerativa (pelo menos, não nos controladores que eu pude estudar, testar e decifrar).Deste modo, acabamos descobrindo a que a diferença entre Brake Low Level (ou Brake Signal Low) e Brake High Level (ou Brake Signal High) não é, apenas, quanto a questão do Nível Lógico para a Ativação  (ligar ao V_CC ou ao GND para ativar) desses sinais, mas, sim,. que a ativação deles resultam, respectivamente, em ações do controlador que corresponde funções de frenagem bastante distintas entre si.

Outro fato importante é que se você estiver usando um motor do cubo com redutor (conforme visto na postagem anterior) dotado de Roda Livre (Freewheel ), então este freio elétrico (frenagem regenerativa) não funcionará, porque o que ele faz é, essencialmente, apenas o travamento do rotor do motor no lugar. Devido à roda livre, mesmo com essa ação, o resto da roda continuará a girar, não sendo, o resultado, diferente do que, simplesmente, cortar a potência do motor, deixando-o a mercê da inércia.

• Brake Signal Low / Reverse: Essa designação aparece somente nos casos de controladores de maiores potências (acima de 1000 W). O conector tem três fios, onde, além, de haver os dois fios referentes Brake Signal Low (conforme foi descrito acima), há, ainda, a adição de um terceiro fio que é associado a entrada de função Avante / Reverso (ou denominada, simplesmente, Reverse) que é algo se aplica para os casos como o dos triciclos, por exemplo, que podem se beneficiar de ser capaz de alternar seus sentidos de movimento entre para frente e para trás. Mantendo esta entrada em aberto, ou impondo a ela nível alto (Vcc), temos o sentido de movimento Avante (que é o padrão). Já, colocando tal entrada em nível baixo (GND), estamos selecionando o sentido de movimento reverso.

Frenagem Regenerativa:

Frenagem regenerativa já foi discutido aqui neste blog em várias postagens anteriores, contudo, não olhando para os veículos elétricos ultraleves, as e-bikes, mas, sim, sempre para veículos leves maiores, os carros elétricos. Alias, lançar o olhar para as tecnologias especificamente pertinentes às e-bikes tem sido uma grata novidade, e um desafio, para este autor, que ama aprender coisas novas.

Frenagem regenerativa é muito comum em carros elétricos, algo praticamente de emprego mandatário, mas, nas e-bikes, porque elas precisam se manter como produtos dentro de faixas de preços finais ao consumidor bem mais reduzidas para se manterem competitivas, o emprego de dispositivos que provejam tal funcionalidade ainda é muito raro.

Frenagem regenerativa significa, antes de tudo, parar de chamar o motor elétrico de "motor" e passar a chamá-lo de "máquina elétrica", pois, no contexto dos veículos com frenagem regenerativa, a "máquina elétrica" opera em ambos: tanto como no modo motor, quanto como no modo gerador.

A máquina elétrica se comporta como gerador exatamente quando ela opera durante um Regime Transitório de Desaceleração (isto e, na frenagem), efetuando uma força contrária ao da aceleração, ajudando no esforço de parar o veículo e gerando de eletricidade a partir do conjugado de frenagem.

Para muito mais detalhes veja também: Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética). Entender o que é apresentado nesse outro artigo é altamente recomendável, pois, facilita, e muito, entender o que passamos a apresentar, em seguida, aqui.

A energia elétrica gerada pela máquina elétrica durante a frenagem pode ser (e, em muitas aplicações é) realimentada de volta para a bateria, o que aumenta sua eficiência energética do sistema e aumenta a autonomia do veículo. Contudo, atenção, pois os manuais de controladores de fabricantes realmente sérios trazem a seguinte advertência

"Apesar da Regeneração ter efeito de travagem, ela não substitui a função de um freio mecânico. Um freio mecânico é necessário para parar o veículo, sempre. "Regen" ajuda, mas não é uma característica de segurança! O controlador pode inibir a regeneração, sem aviso, tanto para proteger as si mesmo, como para proteger a bateria (Por isso, ele não tem como objetivo proteger a operação da condução, pela qual a atuação do ciclista é responsável)."

O que determina se em um sistema opera motorizado ira haver regeneração, ou não, não depende, em nada, do motor que é utilizado, pois, qualquer máquina elétrica tem a habilidade de regenerar. odo motor tem habilidade regenerativa, ou seja, construtivamente, todos os Motores são, de fato, Máquinas Elétricas (e essa é a denominação até mais adequada para se usar no contexto de frenagem regenerativa) que foram concebidas para operar em ambos os modos: Modo Motor e Modo Gerador:

• Se a Máquina Elétrica (motor) recebe energia elétrica, ela converte para energia mecânica (e está operando, de fato, no modo motor), porém;
• Se a Maquina Elétrica recebe energia mecânica (se você girar o eixo dela, externamente, de alguma forma), ela converte para energia elétrica (e, portanto, está operando no modo gerador).

Contudo, dependendo de como a máquina elétrica (motor / gerador) é montada em relação ao sistema de transmissão da bike, será possível, ou não, haver regeneração, ou seja, o motor poderá ou não ter a habilidade de operar como gerador por receber da roda da bike a energia mecânica que ela pode doar ao motor (fazendo-o operar como gerador). Isso pode ser interessante, principalmente diante daquela quantidade enorme de energia que ese dispõem, quando a bike está a descer por um declive.

Se ao descer por declives o motor estiver girando por causa do giro da roda, então a regeneração, de fato acontece e ela pode ser aproveitada. Esse é o caso de:

• Todos as e-bikes que empregam Motor do Cubo (Hub Motor) sem redutor, ou seja, que não roda livre, os chamados de acionamento direto (Direct Drive). Isso realmente permite a regeneração, e ela pode ser aproveitada (ou não, pois ainda ficamos na dependência do controlador permitir).

Contudo, tanto para o caso de e-bikes que tem seus motores instalados numa montagem Mid-Drive (acionando direta ou indiretamente o eixo da pedaleira), quanto para o caso versões de Motor do Cubo que contenham Redutores (Geared Hub Motors), estes não serão capazes de efetuar a regeneração 4, por conta de que seus motores permanecem parados, enquanto a e-bike desce por um declive, e sua roda gira livre (roda livre) não requerendo mais força de tração e, portanto, nem se está mais pedalando.

Não obstante, mesmo estas (Mid-Drive e Geared Hub Motors) versões de e-bike poderiam, sim, ser pensadas para serem dotadas, também, de controladores que possuam a função de regeneração, a fim de que, por exemplo, atender aos casos em que os ciclista também usem a e-bike para exercitar-se sem sair casa.

Muitos ciclistas (de modo geral, não apenas de e-bike) estão adotando essa prática de exercícios sendo realizada pela associação da com um simples rolo treino (de exercício) de bike, tal, como mostrado na foto  ao lado. Este rolo de treino poderia utilizar a regeneração como "efeito de carga" para ser empregada no treino, ao mesmo tempo em que ele pode encher de energia a bateria da própria e-bike, ou mesmo outra bateria qualquer (compatível em tensão) que seja ligada, externamente, até os terminais de conexão de bateria do controlador da e-bike.

Esse rolo de treinamento é algo muito simples e barato: ele faz, simplesmente, com que o ciclista pedale movendo a roda bike sobre o rolo (que não apresenta resistência considerável alguma), que é suportado há uma bem pequena elevação com relação ao solo (o que equivale a pedalar sobre um declive bem suave). Contudo, desportistas com mais elevado grau de "energia humana" decerto sentirão falta de uma maior carga para a realização de seus exercícios.

Para resolver isso, existem outros tipos de rolos semelhantes a esse, porém, que agregam ao seu eixo um Freio de Partículas Magnéticas, que não apenas permite se impor um Conjugado Resistente ao eixo do rolo, como, também, permite ajustar a intensidade desse conjugado resistente. Acontece que estes equipamentos mais sofisticados custam n vezes mais caros do que os rolos simples, ao passo que se a bicicleta for uma e-bike, isso não justifica, pois ela mesma pode prover o conjugado resistente para o treino, e ainda ter a capacidade de regeneração aproveitada..

Isso pode ser provido por se desligar o fornecimento de energia para o motor, por meio, por exemplo, de se emitir um "falso informe" do sinal Brake High Level (ou Brake Signal High) para um controlador. Eu digo "falso informe", pois, não se estaria acionando manete de freio algum (afinal, o ciclista estará a pedalar), mas, sim, emitindo tal sinal a partir de uma simples chave elétrica que é manobrada pelo ciclista para poder ativar o sinal Brake Signal High para o controlador, mantendo o ativado o tempo todo, enquanto o ciclista estiver pedalando, realizando o seu treino.

Na aplicação proposta, não se trata, especificamente, de regeneração, mas sim, de geração. O seu motor estará, o tempo todo que durar o exercício, operando como gerador, e girando no mesmo sentido de giro da tração que é requerida (nenhum ciclista não precisa de assistência do motor para se mover sobre o tal rolo).

Assim, seja regeneração, ou geração, o que muda é só o nome. Contudo, será que, com isso, tal geração pode ser, efetivamente, aproveitada para recarregar a bateria (da e-bike ou outra, externa). A resposta tanto pode ser sim, quanto pode ser não, pois ela depende da "arquitetura" (hardware e software) que é adotada no controlador que está sendo empregado (ou seja, se o tal controlador é, ou não, dotado da função REGEN).

Quanto aos controladores, antes de tudo é preciso entender que, até mesmo os de arquitetura mais simples, são dotados de (alguma) capacidade regenerativa, pelo simples fato de que cada um dos MOSFETs de sua ponte trifásica apresentam, internamente aos encapsulamentos deles, um diodo retificador, o qual é ligado de modo a poder conduzir no sentido inverso ao da condução do transistor (corrente do dreno para a fonte do MOSFET).

Fato é que, os diodos internos aos MOSFET, só conseguem conduzir, efetivamente, no caso do valor do F_CEM (Força Contra Eletro Motriz) 5 gerada pelo motor (perdão, máquina elétrica operando como gerador) conseguir ser maior do que a tensão da bateria (tensão presente no barramento CC).

Comportamento da corrente produzida pela FCEM (corrente de regeneração) num dado instante. Neste instante, as bobinas A e B estão , respectivamente, em seus picos positivo e negativo de FCEM, de modo que elas são as responsáveis pela condução, enquanto os diodos em condução são os associados ao MOSFET T1, na parte superior da ponte, e ao MOSFET T5, na parte inferior da ponte. A corrente entra pelo polo positivo da bateria, provendo carga de energia para a mesma.

No entanto, uma vez que um motor pode estar classificado para XX volts, e a tensão no terminal da bateria pode, também, ser dos mesmos XX volts, para gerar XX volts a partir do motor (perdão, de novo, máquina elétrica operando como gerador) ela deve girar à sua velocidade nominal (em rpm). Já, para gerar um maior tensão, rotação também superior será necessária.

Assim, a não ser que a bateria esteja muito descarregada, ao se pedalar, mesmo com bastante energia, somente com a arquitetura regular dessa ponte de MOSFETs, que é o que existe na maioria dos controladores (ou controladores mais simples), muito provavelmente, não se conseguirá fazer a F_CEM do motor suplantar a tensão dos terminais da bateria, de modo que não se obtém regeneração, efetivamente.

Por outro lado, tal coisa já é em algo bom, pois, ela ajuda a evitar que a sua bateria se descarregue demais, pois, com você pedalando, ao menos a carga da bateria será mantida acima de um certo patamar seguro (que depende da potência das sua pedalada). Por outro lado, alguns controladores possuem uma arquitetura diferente, que envolve eles serem dotados de mais circuitos de eletrônica de potência e, também, de softwares de controle mais complexos.

A configuração da ponte de MOSFETs trifásica pode ser estendida port adicionar um circuito de freio simples, baseado em SCR / IGBT. Todavia, apesar disso tornar hábil a frenagem elétrica, que pode ser reostática (jogando a energia fora, para cima de uma resistência), tal incremento não habilita para que haja aproveitamento da regeneração.

É necessário o incremento do circuito de eletrônica de potência e do software de controle, de modo que torne possível uma maneira de aumentar a F_CEM gerada pelo motor. Somente assim será possível, mesmo operando em velocidades mais baixas (quando a geração / regeneração é de baixa intensidade), o motor pode operar, de forma adequada, no modo de regeneração, como freio e propiciar, também, o aproveitamento adequado da energia regenerada de volta para a bateria.

Para prover isso construímos um Conversor CC/CC de Elevação (também chamado de Conversor Elevador de Tensão ou, Conversor Boost, ou, ainda, Conversor Step-Up) junto da ponte de MOSFET trifásica. Conversor CC/CC elevador envolve, tipicamente, além de elementos reativos (indutor e capacitor, fundamentais ao seu funcionamento), também elementos chaveadores (MOSFETs), para, pela variação de largura dos pulsos (ciclo de trabalho) de PWM, a tensão de saída possa ser elevada para diferentes magnitudes, adequando-se, assim, ao nível ideal de tensão para recarregar a bateria.

O PWM pode ser inserido em um de controlo PID com o objetivo de ser alcançado um controle para uma força de frenagem constante,  onde a malha de PID tentará manter uma força de frenagem constante para diferentes velocidades do motor, visando o usuário obter uma resposta linear da força de travagem. Nesse caso, o sistema requer um sensor de freio que seja analógico (em geral, fornecendo sinal variando de 0 ~ 5 V).

Notas:

1. Sensor Push button, mas não necessariamente do tipo interruptor eletromecânico, podendo ser, inclusive, com uma alavanca de atuação exterior empurrando (movendo), internamente, um pequeno imã. O imã, por sua vez, aciona um sensor de efeito hall (montado internamente). A alavanca de atuação retorna a posição de repouso por mola (que existe, também, internamente. Isso dá ao sensor o aspecto de um simples interruptor eletromecânico, mas, ele é, de fato, um sensor do tipo hall.                                                                                  
2. Existe, também, a possibilidade de se empregar Sensor do tipo Capacitivo. Esse tipo de sensor permite detectar a ativação do freio por meio da detecção do movimento interno do cabo de acionamento. Fácil de instalar e pode
   
   ser montado em qualquer das extremidades (ou em algum local intermediário) do cabo do freio da bicicleta tornando desnecessário mudar manetes do freio de sua bicicleta quando você converter bicicleta para um e-Bike. Basta enfiar o cabo de freio através do corpo do sensor. Contudo, existe uma posição correta para montagem dele em relação ao sentido de movimento do cabo de freio e, por isso, existem dois modelos com relação ao lado que sai o cabo dos fios condutores elétricos. O conector desse que é mostrado na figura ao lado é padrão de cablagem Bafang (mas existem outras ofertas de produtos similares com diferentes tipos conectores como, por exemplo, o HWBS-1 king meter). Eles também são conhecidos, genericamente, pela sigla HWBS ( Hidden Wire Brake Sensor).                                                                                    
   
3. Se o sensor for do tipo de saída NPN, o sinal de saída dele, quando ele estiver ativado é "baixo", ou "nível lógico 0". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o sinal e o positivo (V_CC). Já, se o sensor for do tipo de saída PNP, o sinal de saída dele, quando ele estive ativado é "alto", ou nível lógico 1". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o Sinal e o negativo (GND).                                                                                                                                                   
4. Eu tão somente ouvi alguma breves referências a um Motor do Cubo com Redutor (Geared Hub Motor) que não fosse roda livre, mas, pelo que eu pude constatar, depois de algumas poucas aplicações, ele foi logo descartado, porque o arrasto das engrenagens e do motor era muito alto, enquanto a regeneração foi pouco significativa, ele se tornou impopular. As aplicações tratavam-se das e-bikes Giant new Twist modelos 1 e 2 (modelos de produção descontinuada) empregando Motor do Cubo com Redutor da Sanyo.                                                                                              
5. F_CEM é um acrônimo para o termo Força Contra Eletromotriz, que é um fenômeno elétrico associado à comutação do estado de condução em indutores, algo que é muito recorrente nos assuntos abordados neste blog. Vá para as NOTAS da postagem titulada "Motor CA Síncrono ou Motor CC Sem Escovas???" para ver a definição.

Veja Também:

Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 1/3

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 1/3

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Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 1/3)

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 (controlador do motor) funciona como conversor CC/CA, mas, 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

Sistema de Frenagem Regenerativa em Veículos Elétricos