Projeto Gurgel Elétrico
Transformando um carro
movido à gasolina em carro elétrico


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(Foto by Rodrigo Feijó)

Durante muitos anos acompanhei com interesse o desenvolvimento dos veículos que utilizam motores elétricos para se movimentar. Tive inclusive a oportunidade de dirigir um veículo hibrido quando visitei meu cunhado em Ohio, Estados Unidos há alguns anos atrás. Este carro (um Toyota Prius) tem hoje mais de 10 anos de uso e nunca apresentou problemas. Fiquei encantado com seu desempenho e silêncio, especialmente porque a maior parte do tempo que andei com ele foi com a tração feita principalmente pelo motor elétrico.

Esta página documenta o projeto e a execução do meu primeiro carro elétrico, bem como seu aperfeiçoamento e melhoria

A escolha do carro

Tenho outros dois automóveis em casa. Minha intenção não é usar o carro elétrico como primeiro carro da casa, especialmente para viajar, mas sim dispor de um meio racional e ecologicamente correto para ir ao trabalho. Minha empresa está a pouco mais de 3 km de minha casa, e portanto minha demanda de autonomia é baixa - rodo em média 10 a 15 km por dia. Imaginei inicialmente construir um veículo com capacidade para ser usado uns 2 ou 3 dias sem necessidade de recarga, mas depois, estudando mais sobre baterias, descobri que sua vida útil é maior se as mesmas são descarregadas com menor profundidade e imaginei recarregar as baterias de meu carrinho todos os dias (mesmo que o mesmo tenha autonomia para vários dias).
 
O primeiro passo que dei para viabilizar meu carro elétrico foi eleger quem seria o "candidato". Meu objetivo não é construir um carro do zero, uma vez que a burocracia para legalizá-lo é um processo que não pretendi realizar. Ao invés disto optei por escolher um veículo pequeno, leve, de baixo custo e que pudesse ser totalmente restaurado (antes do início da implementação da nova mecânica). Examinei várias possibilidades e acabei por eleger um Gurgel Supermini - as razões estão a seguir listadas.

Estudei tudo o que encontrei sobre estes carrinhos na internet -  o site http://www.gurgel800.com.br/ foi uma fonte de inestimavel valor na obtenção de informações sobre o supermini (http://www.gurgel800.com.br/adaptacoes/superminieletrico), e inclusive apresenta informações sobre uma conversão já realizada em um BR800. Recomendo este site a quem se interessar em saber mais sobre os veículos Gurgel. Também lí com atenção toda a informação que encontrei no site do Eng. Pimpão - http://gurgeleletrico.blogspot.com/ , de onde tirei ótimas idéias e informações para iniciar meu projeto.

Não era minha intenção restaurar um veículo em muito mau estado, e com um valor limite a ser gasto em mente fui "à caça" do meu supermini. Depois de muito pesquisar na WEB acabei encontrando meu candidato a carro elétrico no municipio de Pelotas, RS. Tive muita sorte: meu Gurgelzinho tem apenas 37 mil km, está todo original e funciona perfeitamente. Confesso que fiquei com dó de iniciar a conversão quando recebí o carro aqui em Porto Alegre, dado o estado de originalidade do mesmo. Mas a causa é nobre, e decidí continuar com meu projeto. Abaixo algumas fotos do "possante" antes do início das modificações!





Restauração do Supermini e preparação para a conversão

Aproveitei a sua chegada para dar umas voltinhas antes de partir para o projeto definitivo. Resolvi então enviá-lo à oficina de um amigo para refazer alguns detalhes de pintura e revisar a parte da mecânica que será aproveitada - freios, caixa de câmbio, diferencial. Afinal de contas, apesar do ótimo estado, meu Gurgelzinho tem 19 anos de idade. Como algumas peças da suspensão apresentavam sinais de ferrugem, decidi desmontar tudo e submeter todas as peças metálicas da parte de baixo do carro a um processo de jato de areia para tirar a ferrugem e tinta velha e pintamos tudo com tinta anti-ferrugem e depois de preto.
A caixa de câmbio foi desmontada por mim e limpa, ficando com aparência de nova. Os amortecedores foram substituidos por outros, recondicionados, que encontrei à venda na internet.





Um pouco de física

Confesse - você não achou que ia deixar de ver algumas equações no meu site, não é mesmo? ;-) Desenvolvi um resumo das considerações iniciais de meu projeto, diferentemente da maior parte dos projetos que vi na internet, que aparentemente são feitos sem maiores avaliações ou considerações técnicas.

Uma estimativa da demanda de potência necessária para movimentar um veículo como o Gurgel Supermini pode ser efetuada a partir do cálculo das forças que atuam sobre ele quando em movimento. Estas forças podem ser entendidas como sendo:

 

  • ·         força de resistência ao rolamento (Fr)
  • ·         força de arrasto aerodinâmico (Fa)
  • ·         força de resistência devido ao aclive (m.g.sen a)
  • ·         força de tração (Ft)

 

A força resultante FRes é a força de tração gerada pelo conjunto propulsor Ft  (motor e agregados) menos as forças que se opõem ao movimento e é o que efetivamente faz o veículo se movimentar:

 

  Sabe-se que

 Ou seja, que


 

Desta forma, podemos escrever

 

Esta equação está dizendo que a força variável resultante no movimento do veículo (lado esquerdo da equação) é igual à força de tração menos todos os termos de resistência ao movimento. 

·  FT  é a força necessária para a tração do veículo;

·  m é a massa do veículo;

·  V é a velocidade do veículo;

·   é a velocidade do vento;

·  g é a constante de aceleração da gravidade (9,8 m/s2);

·  α é o ângulo de inclinação da pista;

·  fr é o coeficiente de resistência dos pneus (0,013 para pistas de asfalto ou concreto);

·  r é a densidade do ar (1,2 kg/m3 a 1 atm e 25 ºC);

·  Af  é a área frontal do veículo;

·  CD é o coeficiente de penetração aerodinâmica.

 

A estimativa da demanda de potência a ser fornecida pelo mecanismo de tração (Pm) é estimada pelo produto da velocidade com a força necessária para tracionar o veículo, ou seja,

 

 

 

Como pode-se observar na equação acima, a necessidade de fornecer potência ao veículo ao longo do tempo aumenta com:

 

·         a velocidade

·         aumento da declividade da pista

·         demanda de maior aceleração

·         resistência ao rolamento oferecida pelos pneus

·         o coeficiente areodinâmico do veículo.

 

Analisando cada um destes fatores individualmente pode-se tentar trabalhar para minimizar a energia necessária para movimentar o veículo.

 

Como premissa de projeto para o pior caso, optei pelos seguntes parâmetros iniciais para o uso normal:

 

1)      velocidade de cruzeiro: 60 km/h
2)      inclinação de subida máxima: 5°
3)      aceleração de 0 – 60 km/h: 20s
4)      pneus de 145 mm de largura radiais, aro 13 (originais do Gurgel supermini)
5)      um coeficiente aerodinãmico de 0,5 (estimativa para o gurgel supermini considerando seu formato)
6)      área frontal do supermini de aproximadamente 1,65m2
7)      vento frontal de até 10 km/h
8)      massa estimada de 620 kg
9)      tensão de alimentação de 72 V (6 baterias de 12V/150 A/h)
10   carga máxima (passageiros + bagagem) 120kg

Substituindo alguns destes parametros encontramos o seguinte:

Força necessária para atender ao parâmetro de aceleração:

 


Força necessária para vencer a declividade de 5°:

 

 

Força necessária para vencer a resistência ao rolamento dos pneus:

 
 

  
Força necessária para vencer a resistência do ar (considerando vento contra de 10 km/h):

  

 

A Força necessária, considerando aceleração de 0 a 60 km/h em 20s, rampa de 5°,vento frontal de 10 km/h e pneus calibrados:

616N + 632N + 94N + 249N = 1592N

A potência total necessária é, então, de 

Ptotal=1600 N. 16,7 m/s ≈ 26,5 kW 

ou aproximadamente 35 hp.

E a corrente máxima necessária será de aproximadamente 370A.

Como o motor não existe um motor 100% eficiente, olhando as curvas de motores comerciais estimoque  para obter esta potência será necessária uma corrente aproximadamente 10% a 20% mais alta, ou seja, cerca de 400 A.

Óbviamente esta não será a condição de marcha do veículo, quando o primeiro termo (aceleração) se reduzirá a zero. A 60 km por hora  constantes no plano, por exemplo, estimo a corrente necessária como sendo de cerca de 90 A, e a potência necessária neste caso será de cerca de 6,5 kW ou 8,7 hp.



Elegendo o motor a ser usado no projeto

A primeira questão que aparece quando se estuda as especificações de motores elétricos para a conversão de um automóvel diz respeito à forma de alimentação do motor. Existem vários tipos disponíveis à venda - motores para corrente contínua série (universais), paralelos, com campo fixo ( utilizam imãs), para alimentação com corrente alternada trifásicos, etc. Cada motor tem caracteristicas mais ou menos vantajosas, dependendo da aplicação que se pretende dar ao mesmo. Concretamente os motores elétricos série (universais) são os mais simples de usar, oferecem ótima eficiência e desempenho. Por isto escolhi um destes para meu projeto.
Procurei obter informações que permitissem utilizar algum motor disponível no Brasil em meu projeto. Só perdi tempo! Muito se fala em kit´s nacionais para conversão, há várias referências sobre empresas que fabricam motores elétricos, mas efetivamente não se encontra nada concreto para realizar um projeto realmente funcional. Os fornecedores para motores com especificações que realmente sirvam em um projeto de conversão são americanos ou chineses, o resto, ao menos por hora, é apenas especulação e promessas.
Mandei e-mail´s à várias empresas e o máximo que consegui foi a informação de que "irão comercializar" kits e motores. Decidi então estudar as especificações dos equipamentos americanos e chineses e adquirir de uma vez um motor comercial.

Estudei as especificações de motores para corrente alternada trifásicos comerciais usados em outras aplicações e concluí que os mesmos são muito pesados para uso em um carro elétrico como o que pretendo converter, especialmente se comparados aos motores projetados para este fim e que existem à venda nos Estados Unidos e China. Motores que funcionam com corrente contínua para a potência que planejei não são encontrados aqui no Brasil, provavelmente por não haver mercado para isto.


Entendendo as especificações do motor

Aparentemente o desenvolvimento de motores universais série para a conversão de veículos atingiu seu ápice em termos de eficiência e qualidade. Estes motores, que hoje se encontram à venda em diversos sites na internet, são surprendetemente leves, potentes e com características de torque e eficiência que dificilmente poderão ser melhorados. Após consultar e estudar as especificações de dezenas de tipos diferentes de motores optei pelo L91-4003 da ADC, pelo qual paguei U$ 970,00.



Foto do motor que adquiri.



Detalhe da etiqueta do motor.

Não encontrei na internet muitos detalhes sobre este motor, mas contactei o fabricante ADC que gentilmente enviou-me farto material sobre o mesmo. Este material pode ser baixado clicando nos link´s abaixo.
Esbarrei na primeira dificuldade - como interpretar todos estes gráficos? Sou físico, ler gráficos não é novidade para mim, mas como interpretar toda a informação disponível? Resolvi estudar em detalhes cada curva e após entender tudo resolví expor a seguir como se faz isto, de forma a permitir que outros interessados possam entender e usar toda a informação que é disponibilizada pelos fabricantes.

Os gráficos com as curvas dos motores elétricos apresentam várias informações simultâneas inter relacionadas. Vejamos como exemplo a curva do motor L91-4003que escolhi abaixo:



Pode-se observar que nela constam as seguintes informações:
  • Tensão de trabalho do motor  (na parte superior do gráfico - 120V - 0,03 I)
  • Rotações por minuto (RPM)
  • Eficiência (EFF)
  • Corrente circulando pelo motor (AMPS)
  • Potência efetivamente fornecida pelo motor (HP)
  • Torque (FT/Lb)
Todas as informações acima estão relacionadas entre sí pela informação de torque. Isto quer dizer que para se saber qual é a corrente que deve circular pelo motor para que ele efetivamente produza uma determinada potência, devemos localizar a corrente no eixo com valores de "Amps", correr uma linha horizontal até encontrar a curva "AMPS" no gráfico, descer até o eixo de Torque, e na linha vertical traçada para o valor de torque encontrado subir novamente até encontrar a linha "H.P.", e a partir dela traçar uma linha horizontal para a direita até encontrar o valor correspondente no eixo vertical marcado com "H.P.".

Tomando o exemplo seguinte: com 350 A de corrente máxima qual será a potência máxima que vou conseguir extrair de um motor como este? Observe o gráfico abaixo:



Partindo do valor de 350 A à esquerda na coluna "AMPS" tracei a linha vermelha até encontra a curva "AMPS". Neste ponto tracei a linha vertical verde que informa o torque em pés/libras (Ft/Lb). Esta linha verde marca pontos de intersecção com a curva de eficiência (EFF) e rotações (RPM). No exemplo dado, a 350A e com um banco de , por exemplo, 10 baterias (120V), é esperado que a tensão no motor seja de 120V-(0,03*350A)= 109,5V (se supõe que a resistência série da alimentação e conexões seja de 30 mili-ohms) e para isto termos um torque de 56 Ft/Lb, 42 Hp, 84% de eficiência e 4200 RPM.

Nas curvas acima pode-se verificar que o torque em um motor universal é máximo em baixas rotações, e varia praticamente de forma linear com a corrente que circula no motor.

Eu estudei todas as curvas enviadas pelo fabricante, e optei por usar 72 V na tensão de alimentação, 350A máximos, o que dá cerca de 80% de eficiência e uma potência máxima com esta corrente da ordem de 26 hp @ 2300 RPM nos testes iniciais que devo fazer.

Comparando um motor elétrico e um motor à gasolina
 
Um motor à gasolina de 4 cilindros e 4 tempos, como a maioria dos automóveis utiliza no Brasil, é uma máquina que explode uma mistura de ar e combustível vaporizado 2 vezes por rotação. Isto significa que em apenas 2 instantes por volta do motor introduz-se efetivamente energia para movimenta-lo; todo o resto do tempo parte desta energia é gasta para fazer o motor continuar funcionando, e apenas uma pequena fração da energia produzida sobra efetivamente para movimentar o veículo. Isto porque são necessários diversos recursos para integrar e distribuir uniformemente a energia liberada pela reação química (da explosão) transformada em energia mecânica capaz de movimentar o veículo. Um volante é necessário para manter o movimento de todo o conjunto de peças que constitui o motor entre uma explosão e outra, peça esta que faz parte do conjunto de embreagem, veja nas fotos abaixo. Todo este conjunto mecânico para promover a reação química, transformando-a em movimento, é complexo, pesado - e o pior de tudo - ineficiente sob o ponto de vista energético. Isto porque a maior parte da energia liberada pela queima do combustível é transformada em calor, ruído e usada para a operação do próprio motor. A eficiência obtida não passa dos 20% na maior parte dos casos. De fato os motores à explosão só servem porque a quantidade de energia liberada na explosão é muito alta considerando a massa de energia que se precisa carregar no tanque de combustível.


à esquerda - motor à explosão do supermini   -  à direita - volante do sistema de embreagem


peças do conjunto de embreagem e partida (motor de arranque)

Para se ter uma idéia, um motor à explosão pequeno como o motor Enertron usado originalmente em meu Gurgelzinho usa cerca de 350 componentes, muitos deles submetidos à altas temperaturas, pressões e atrito. Sem falar no motor de arranque, escapamento, ignição... De fato a indústria automotiva conseguiu muito em termos de confiabilidade se considerarmos a quantidade de possíveis fontes de problema em um motor à explosão.
Há ainda alguns outros aspectos a se considerar:

1) a faixa de rotação na qual se consegue um desempenho rasoável (em termos de eficiência) em um motor à explosão é bem restrita, e por esta razão é necessário adicionar a caixa de câmbio, que funciona como um ajuste entre a faixa ótima de rotações do motor e a velocidade de movimento das rodas
2) não se pode fazer o motor à explosão iniciar seu movimento a partir de zero (parado), sendo necessário algum tipo de desacoplamento mecânico entre as rodas e o motor (embreagem). Esta peça funciona baseada em um dispositivo com uma taxa de atrito variável ("disco de embreagem"), e portanto sujeita a desgaste. Há a opção de um acoplamento viscoso , como usado nos automóveis dotados de cambio automático, mas este é ineficiente e aumenta ainda mais as perdas deste já tão ineficiente sistema
3) a faixa de temperatura de operação de um motor à explosão é crítica, devendo-se ajustar de maneira contínua sua temperatura de operação para o melhor rendimento. Isto demanda por controles, medição de temnperatura, ventoinhas, circuitos de água, só para citar alguns

Não entrando no mérito da questão ambiental / ecológica, o motor à explosão não é, definitivamente, um exemplo de mecanismo que evoluiu muito ao longo dos anos.

Um motor elétrico também não é nenhuma novidade em termos tecnológicos, baseia-se em principios há muitos anos conhecidos, os principios do eletromagnetismo que foram enunciados por Michael Faraday no começodo século XVIII. Motores elétricos tem sido desenvolvidos aproveitando novos recursos tecnológicos, tais como novos materiais e a eletronica de potência, mas baseiam-se todos na transformação da energia elétrica a eles aplicada em mecânica pela interação de campos magnéticos. Sob o ponto de vista de construção os motores elétricos são bem mais simples que um motor à explosão, utilizando não mais que 5% do numero de peças usado neste. Seu comportamento é totalmente diferente: o torque em um motor elétrico série como o que elegi para uso em meu projeto é máximo com o motor parado; não há praticamente nenhuma perda com dissipação de calor ou ruído se comparado com um motor à explosão; sua durabilidade é muito maior (pelo uso de poucas peças móveis); seu peso é menor (no caso de meu projeto o motor original pesa cerca de 95 kg enquanto o motor elétrico pesa 38kg.

O grande problema do motor elétrico não é, curiosamente,  o motor elétrico, mas sim o dispositivo necessário para alimentá-lo - as baterias. Baterias são dispositivos que armazenam eletricidade através de reações químicas, ou seja, usando eletricidade promove-se reações químicas na bateria, reações estas que depois ocorrem de forma reversa gerando novamente eletricidade. Quais são seus problemas? Muitos. Peso excessivo, durabilidade, baixa capacidade de armazenamento de energia considerando a massa total da bateria. Muito se tem pesquisado sobre o assunto, pois parece que há um consenso de que veículos movidos à eletricidade serão a solução para o transporte no futuro, mas até hoje o que se conseguiu foram resultados fracos nesta área. E é isto que limita o uso de larga escala de carros elétricos (além de razões mercadológicas e de interesses comerciais que não pretendo analisar aqui).

Existem disponíveis hoje em dia baterias bem melhores em termos de capacidade de armazenamento e massa (peso) que as baterias chumbo-ácidas comuns, mas estas baterias são caras demais para um projeto relativamente econômico. Um exemplo de baterias melhores são as usadas em computadores (notebooks) e celulares.

Apesar das limitações que a tecnologia, o meu orçamento e a disponibilidade de baterias no mercado brasileiro oferecem decidi levar adiante meu projeto usando baterias chumbo ácidas.
 

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