Projeto Gurgel Elétrico
Melhorando o Gurgel Supermini elétrico
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GURGEL ELÉTRICO VERSÃO 2.0
(ultima atualização 20/03/2014)

Completados 2477 km rodados com o Gurgel em transito exclusivamente urbano em aproximadamente 1 ano e 7 meses decidi que chegou a hora de aperfeiçoar o carrinho de forma a poder aumentar seu uso no cotidiano. Porto Alegre, cidade aonde resido, é repleta de "sobe e desce" e a autonomia do Gurgel é limitada usando o conjunto de baterias que elegí inicialmente em meu projeto. Na verdade a escolha pelas BOSCH P5-200 (6 peças) foi basicamente função do investimento inicial - gastei pouco menos de R$ 2.500,00 no conjunto. Mas as mesmas não são indicadas para a minha aplicação - são baterias estacionárias, construídas para ficarem instaladas em local fixo, sem vibração, e projetadas para descargas não tão "violentas" como as que faço no uso diário (até 300 ampéres em lombas).

Com isto, passado este pouco mais de ano e meio, constatei que as mesmas apresentam agora resistência interna da ordem de 11 miliohms (o dobro dos 5 miliohms que medí inicialmente) cada uma quando estão completamente carregadas, e a sua capacidade de armazenamento de energia reduziu-se de cerca de 2.200 wh iniciais para cerca de 1.350 wh agora - consigo rodar pouco mais de 10 km, no máximo.

Mau negócio! R$ 2.500,00 para 2477 km dá cerca R$ 1,00 por km rodado - o custo em energia elétrica para movimentar o carrinho foi de cerca de R$ 260,00 (R$ 0,11/km) mas a reposição das baterias acabou inviabilizando economicamente meu projeto, que consumiu o equivalente a 3 km/l se tivesse rodado com um carro à gasolina. Definitivamente um EV com baterias estacionárias não é viável. Mas como um bom teimoso que sou, resolvi tentar modificar o projeto de forma a torna-lo mais viável.

NOVAS BATERIAS

Após estudar as especificações de diversas baterias nacionais e importadas e descartar um conjunto de baterias de lítio por causa do investimento necessário, adquirí um conjunto de 9 baterias (com a ajuda do amigo Hannes, do grupo veículos elétricos do Google) marca Trojan modelo T-875, de 8 volts, 170 Ah @ 20h. O Gurgel supermini é bem limitado em termos de espaço, e o aumento de 6 para 9 baterias demandou um estudo cuidadoso e a reformulação da instalação das baterias.



As baterias Trojan são construídas especialmente para uso em veículos elétricos, e supostamente duram muito mais que as baterias estacionárias inicialmente usadas. O investimento é alto - as 9 baterias custaram R$ 7.367,34. Elas vão ter que durar no mínimo uns 4 anos (ou seja, tenho que rodar pelo menos 7.300 km para um resultado equivalente ao que obtive com o uso de baterias estacionárias) o que já vai ser bem ruim (3 km/l). Espero rodar no mínimo uns 20.000 km com estas baterias, pois supondo que consiga fazer 45 km entre recargas e considerando uma vida útil de 500 ciclos de recarga (mantendo a descarga nunca superior a 80%) teoricamente devo poder fazer cerca de 23.000 km. Considerando R$ 0,11/km * 20.000 km = R$ 2.200 em energia + R$ 7.367,34 = R$ 9.600 ou R$ 0,48/km, ou o equivalente a cerca de 6 km/l ao preço da gasolina de hoje. A mesma média que faz minha camionete à gasolina na cidade, só que sem poluir tanto. Mas só o tempo vai dizer se isto é possível.

Existem alguns aspectos que me encorajaram, apesar disto. Um eles é o fato de que vou praticamente dobrar a capacidade de armazenamento de energia. Com isto vou descarregar com menos profundidade o conjunto de baterias, e por esta razão a vida útil delas deve aumentar. Outro é a autonomia aumentar de uns 25 km para cerca de 45 km, o que permitirá um uso mais versátil do carrinho. Obviamente um conjunto de baterias de Ion de Lítio ou semelhante seria mais indicado, mas além do preço existem várias consequencias do uso destas baterias - carregadores mais complicados, risco de incêncio (especialmente em um carrinho de fibra de vidro como o Gurgel), dificuldade na aquisição, etc. 

DISPOSIÇÃO DAS BATERIAS

Um dos pontos que ficou claro no primeiro projeto foi o fato de que a maior parte da massa do carro ficou exclusivamente sobre o eixo traseiro. Além do desequilíbrio na distribuição de massa, que como consequência fez com que a direção do Supermini parecesse "hidráulica", obviamente sobrecarreguei a estrutura do carrinho com mais 190 kg apenas sobre o eixo traseiro. Decidi então modificar o assoalho do Gurgel de forma a instalar baterias sob o banco traseiro, deslocando assim parte da massa das baterias para o centro do carro (entre-eixos). Esta operação demandou recortar a fibra de vidro , construir moldes novos e montar compartimentos capazes de suportar o peso de 4 baterias de 29 kg cada. Desta forma, 3 baterias e mais o carregador de baterias onboard ficaram debaixo do banco traseiro e 6 baterias no porta malas.





Após concluida a resinagem tudo foi pintado com epoxi preto para evitar qualquer problema com a queda de ácido na fibra de vidro.
A fiação original das baterias que era de 35 mm2 foi inteiramente substituida por outra de maior calibre (50 mm2) para reduzir a perda por efeito joule, uma vez que pretendo poder utilizar potência maior em meu motor série. Os terminais de conexão foram substituidos por outros, mais reforçados, e soldados para melhorar a resistência.

CARREGADOR DE BATERIAS
 
Tive que redesenhar o carregador de baterias, cuja corrente máxima era de 3 ampéres em minha primeira versão, aumentando sua capacidade para até 10 ampéres agora. Optei por limitar a corrente de carga usando reatância capacitiva (como o Engº Pimpão fez em seu BR 800 elétrico) no carregador de baterias embarcado, e instalei um transformador isolador na tomada da garagem de casa.
A idéia é carregar embarcado no Gurgel um carregador leve e deixar o pesado transformador isolador em casa. Além disto projetei o novo carregador de forma a tolerar qualquer tensão de entrada (100 - 240V) de forma a poder ligar o Gurgel em qualquer tomada.


O microprocessador aí incluído permite a realização de diferentes ciclos de carga, e adicionalmente informa quanto de energia foi gasto a cada ciclo de carga (sem a necessidade de um medidor de energia externo) e cumulativamente quantos ciclos de carga foram realizados, além do tempo necessário em cada um deles. Também informa a potência instantânea consumida e dispõe de uma porta serial que pode ser usada para ler remotamente todos este parâmetros, o que vai possibilitar a troca de informações com o computador de bordo do E-Supermini e inclusive sua monitoração remota por wifi. Um video do carregador funcionando (ainda em teste) está no youtube.

NOVA MONTAGEM MECÂNICA DO CONTROLADOR

Como estou permanentemente modificando coisas no Supermini para melhora-lo, decidi modificar a montagem mecânica de toda a perte elétrica de controle do motor. A idéia foi construir tudo em uma estrutura modular que possa ser retirada sem dificuldade e levada para a bancada para testes e modificações, mas ao mesmo tempo protegendo todos os componentes das condições adversas a que se encontram durante o suo normal - poeira, poluição, água, etc. Com este objetivo construí um sub-chassi de duralumínio recoberto por placas de acrílico transparente que isola toda a parte de controle do motor e ao mesmo tempo permite sua visualização ao abrir o capô. Neste conjunto foi colocado um conversor de 72 volts para 12 volts independente daquele que alimenta todos os demais equipamentos do carro, de forma a aumentar sua confiabilidade.

 




TROCA DA FIAÇÃO

Originalmente utilizei cabos de 35 mm2 na fiação de alta corrente do Supermini. Observei durante o uso que os cabos tornavam-se um pouco aquecidos especialmente durante o uso que demandava alta corrente (por exemplo subindo muitas ladeiras). Resolvi então avaliar com mais cuidado a questão da seleção de cabos para a interligação do motor, controlador e baterias. Minha idéia inicial era a de que quanto mais fino e leve eram os cabos capases de suportar a corrente normal em uso, tanto menores seriam as perdas do conjunto. Selecionei cabos de 35 mm2 para a primeira fase de meu projeto pois os mesmos eram os mais finos que suportariam a corrente máxima projetada por curtos intervalos de tempo. Agora, revisitando este tema, concluí que não foi correta esta decisão. Veja a tabela abaixo:



De acordo com esta avaliação, condutores de 50 mm2 pesam mais, mas a perda introduzida por efeito Joule é menor, fazendo com que a perda total seja inferior à aquela usando cabos de 35 mm2. Já cabos de maior bitola, apesar de apresentarem perdas por efeito Joule cada vez menores com o aumento do diâmetro, por causa da sua massa consomem proporcionalmente mais energia. Com os parâmetros levantados durante o uso do Supermini na sua primeira fase e com estas considerações decidi trocar a fiação principal para cabos com 50 mm2 pois à velocidade de cruzeiro (60 km/h) o consumo aproxima-se dos 100A e com esta corrente esta bitola de fio apresenta a melhor relação de perdas. Veículos com consumod e cruzeiro maior podem demandar por cabos de maior bitola, mas isto não é regra! Resumindo, vale a pena estudar o assunto quando fizer o projeto e eventualmente optar por cabos mais grossos mesmo que cabos mais finos (e leves) suportem a sua demanda de corrente.




MELHORIA NA ALIMENTAÇÃO DE 12 VOLTS

Conforme já comentei antes optei por usar um conversor CC/CC ao invés de uma bateria auxiliar para alimentar os circuitos herdados do Supermini e que são de 12 volts (pisca pisca, rádio, limpador, etc.). Anteriormente utilizei uma fonte de PC modificada mas a mesma tem limitação quanto à potência de saída máxima, e uma vez atingida a corrente máxima ela se desliga (entra em operação o circuito de proteção do PWM e ela para de funcionar). No meu caso isto aconteceu algumas vezes em dias de chuva quando além da iluminação normal do carro eu acionei o limpador de parabrisas e o ventilador para desembaçar os vidros. Não chega a ser um problema muito sério pois eu dotei o circuito de um relé que na ausência dos 12 volts do conversor comutava tudo para a primeira bateria do pack de tração. Isto ocasionalmente pode provocar uma descarga maior nesta primeira bateria, e para evitar isto decidi trabalhar em um conversor mais potente (mas sem ter que adquirir um produto pronto).

Adquiri uma fonte chaveada para 12 volts 20 amperes (comum no mercado, a minha é da marca Mean Well) mas a mesma não partia com 72V. Estas fontes são desenhadas para trabalhar com tensão de mais de 300 volts no circuito de chaveamento e por isto não arrancam com 72 volts. Concluí ser mais fácil converte-la para minha aplicação que construir uma do zero,e para isto estudei seu circuito com atenção e descobri que a mesma não tem uma fonte auxiliar de partida, sendo a mesma efetuada por um leve desequilíbrio na polarização dos transistores de chaveamento pelo uso de um resistor de alto valor. Alterei o valor deste componente (diminuí a 2/3) e a mesma passou a operar, mas a faixa de tensão de saída ficou menor e a fonte não conseguia alcançaar os 12 volts com cargas maiores do que 4 ampéres.



Resistor alterado para forçar o arranque da fonte com 72 volts

O plano era fazer a fonte funcionar bem a partir de 50 volts, e para isto desmontei o transformador de chaveamento colocando-o a ferver em água por 15 minutos (para amolecer o verniz) e desenrrolei o primário externo (os transformadores de fontes chaveadas utilizam sempre dois enrolamentos primários ligados em série, um fica por baixo do enrolamento secundário e outro por cima) que tinha 22 espiras e reduzi para 16 espiras, voltando a montar o transformador.



Enrolamento externo do primário. O outro fica por baixo (é a primeira camada) e não foi modificado.
Com estas duas modificações a fonte passou a operar normalmente fornecendo correntes de mais de 10 ampéres com tensão de entrada de 37 volts para cima sem aquecer quase nada. Ela pesa apenas 630 g, muito mais leve que uma bateria de partida.



Vista da fonte modificada e pronta para uso
 


Minha filha Helena fez questão de tirar uma foto em frente ao novo sistema do Gurgelzinho. A fonte chaveada foi montada dentro do gabinete de acrílico mostrado na foto, iluminado por dentro com LED de alta potência para permitir um eventual reparo à noite.


Melhoria na instalação elétrica do Painel do Supermini

O painel do Gurgel Supermini é facilmente retirável. Decidi melhorar a instalação elétrica, removendo alguns mau contatos e substituindo alguns fios e cabos. Além disto movi o computador de bordo para baixo do painel usando como fixação o suporte que originalmente mantinha em posição a unidade de ignição eletrônica do carrinho. As fotos abaixo mostram algumas etapas do processo.



O painel é facilmente retirável. O mais dificil é remover o volante, eu optei por soltar toda a coluna de direção e carregar tudo junto para a minha oficina.



O painel inteiro já fora do lugar.



O painel na bancada.



Montagem do computador de bordo.



Computador de bordo visto por outro ângulo. O cabo preto "flat" liga ao display LCD azul que está montado na tampa da console central. A fiação foi toda enrolada com fita espuma para reduzir o ruído do painel.



Novo display no painel para melhorar a visualização de dia.



Indicação em R$ do consumo desde a ultima carga


Substituição do controlador PWM do motor  do Supermini

O Gurgel Supermini foi construido utilizando um controlador de velocidade da marca Alltrax modelo AXE7234P. A capacidade de corrente máxima deste controlador é de 300 ampéres por poucos minutos, mas ainda assim atendeu às especificações do projeto original do Supermini. O mesmo foi escolhido por várias razões: mais barato (quando comparado com outros controladores), pequeno, programável. Utilizei o mesmo por cerca de quase dois anos, mas nos ultimos meses observe que o mesmo começou a apresentar um defeito intermitente: em alguns momentos, apesar de não indicar nenhum tipo de alarme e operar normalmente quando conectado a um PC, o mesmo simplesmente deixava de operar. Ao acelerar, nenhuma corrente de saída. Como se não houvesse alimentação! Algumas tentativas de alterar parâmetros dia interface serial e subitamente o mesmo voltava a funcionar. Em outras ocasiões, após ligar e desligar a alimentação algumas vezes o mesmo subitamente voltava a funcionar.

Decidi então abrir o mesmo, na esperança de encontrar alguma solda fria ou mau contato - que decepção! O mesmo é totalmente recoberto com um material emborrachado que impede o acesso às placas dos componentes eletrônicos, o que inviabiliza qualquer tentativa de manutenção. O fabricante alega com isto proteger o equipamento de umidade, mas obviamente o ponto aqui é não permitir que se observe o circuito em seu interior. Por esta razão não recomento produtos da Alltrax para futuras conversões!



Obviamente a solução foi a (cara!) substituição do controlador por outro. Após pesquisar um pouco concluí que o me controlador deveria ser o mais simples possível, e com a possibilidade de ser aberto para reparos / modificações futuras. Optei então por um noco controlador marca Curtis modelo 1209, com capacidade para correntes de até 400A. Comprei o mesmo pela internet e recebi duas semanas depois, por um valor bem alto: R$ 2.433,00 pagos à KTA Services com cartão de crédito e mais R$ 1.460,00 de impostos aqui no Brasil.

Passada a indigestão com os gastos partimos então para a instalação, que demandou reprojetar a unidade de controle, pois este controlador é bem maior que o anterior.



Foto: Unidade de controle já com o controlador Curtis instalado e em teste na bancada



Foto: outra vista do módulo de controle



Foto: O novo controlador, instalado e pronto para as ruas.

Desempenho do Supermini com o novo controlador

O controlador novo possibilita uma maior corrente a ser aplicada ao motor (chegando esta a 400A antes da limitação do próprio controlador).  Isto permite acelerações mais rápidas que com o controlador anterior, além de que como consequencia de se obter muito mais torque a necessidade de reduzir eventualmente de marcha diminuiu ainda mais. Praticamente só ando em 3a marcha agora. O carrinho anda mais e de forma mais consistente. Penso que agora ele está otimizado e atendendo às minhas expectativas, inclusive permitindo ultrapassagens dentro da cidade.
 
Conexão de carga das baterias - melhoria

O conector utilizado para a ligação do Gurgel à rede elétrica oxidou-se depois de 2 anos de uso e passou a apresentar mau contato. Decidi substituí-lo por um conector mais adequado (o antigo era um conector tripolar destes usados em fontes de computador).
Na foto a seguir pode-se ver o estrago que o tempo e a água podem fazer, apesar da corrente máxima nunca haver chegado a mais do que 50% do valor nominal do conector (10A) a oxidação dos terminais é evidente.


Além disto, instalei o cabo de conexão com um fio mais longo, que facilita a ligação do carrinho à tomada sem a necessidade de uma extensão adicional.



O Gurgelzinho sendo carregado em uma tomada comum.



O novo sistema de conexão permite cargas mais rápidas, pois agora posso utilizar correntes de até 15 A na carga das baterias sem o aquecimento do conector ou o risco da entrada de água no mesmo quando da lavagem do carrinho ou uso em dia de chuva. Os conectores utilizados são adequados para correntes de até 32 ampéres, mais do que suficiente para minha aplicação, e garantem a dispensa de futuras manutenções.
 


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