Projeto Gurgel Elétrico
Transformando um carro
movido à gasolina em carro elétrico
(continuação - página 1)
O controlador de velocidade
O próximo passo no projeto de
meu gurgel elétrico foi definir o controlador de corrente para o
motor. O controlador é um dispositivo eletrônico que
permite variar a corrente elétrica que circula pelo motor,
permitindo desta forma ajustar sua velocidade. Os controladores de
motor série como o que elegí utilizam invariavelmente a
técnica PWM, acrônimo que significa
modulação por largura de pulso. Esta técnica
consiste em ligar e desligar rapidamente o motor às baterias, e
através da variação do percentual do tempo em que
as baterias fical ligadas ao motor versus o tempo em que permanecem
desligadas ajusta-se sua velocidade. Poderiamos imaginar que colocamos
uma chave mecânica entre o motor e as baterias e que uma pessoa
ligasse a chave por um período e desligasse em seguida, e
passado mais algum tempo ela tornasse a ligar a chave. A
relação de tempo ligada e desligada dá em
ultima análise um valor médio, que quanto maior (ou seja
maior o tempo de chave ligada em relação ao tempo de
chave desligada) permite ajustar a velocidade do veículo. Esta
operação de ligar e desligar a chave é feita nos
controladores em velocidades de 10.000 ciclos por segundo ou mais.
Um controlador PWM fornece corrente de saída com ciclo de
trabalho variável. Na figura representa-se a corrente fornecida
ao motor à medida que vai se apertando o acelerador. A linha
verde representa aproximadamente a corrente média que é
aplicada ao motor, enquanto a linha vermelha apresenta o valor
instantâneo.
Estes componentes (controladores)
são construídos usando transistores de efeito de campo
para alta corrente (MOSFET´s) ou transistores bipolares mistos
(IGBT), e estes componentes funcionam como chave eletrônica.
Pensei em projetar meu controlador, mas dada a dificuldade de sua
construção por causa das altas correntes envolvidas e
dificuldade em conseguir diodos rápidos de
recuperação acabei optando por comprar um controlador
pronto. O modelo escolhido foi o do fabricante Alltrax modelo AXE7234P.
Este controlador funciona com 72 volts (a tensão que
elegí) e é capaz de controlar correntes de até 350
A, e custa relativamente pouco se comparado com os outros controladores
comerciais existentes. Ele tem uma interface serial e permite o uso de
um software que se pode baixar gratuitamente no site do fabricante ,
que possibilita ajustar e monitorar vários parâmetros do
controlador e motor em tempo real.
foto do controlador eleito para meu projeto
Já adquiri vários
MOSFET de potência, com a intenção de projetar e
construir meu próprio controlador. Quando tiver terminado devo
publicar aqui no site detalhes de sua construção. Por
hora são tantos os detalhes a solucionar... isto vai ficar para
depois.
Meu controlador na bancada, ligado ao computador. Posso fazer
várias simulações e com isto aprender a
utilizá-lo. A alimentação é provida por uma
fonte de corrente contínua de 20v "caseira" (à esquerda)
O acelerador
Para controlar a velocidade do
veículo o controlador tem que poder "ler" a
posição do pedal do acelerador, para então ajsutar
a corrente média sobre o motor que movimenta o veículo.
Com tal finalidade o mesmo vai ligado a um potenciômetro montado
em uma caixa metálica e dotado de uma mola de retorno para
que quando se tire o pé do acelerador o mesmo retorne à
sua posição de escanso. Diferentemente do carro movido
à gasolina, tirar o pé significa desligar completamente o
motor, uma vez que um carro elétrico não necessita ter
"marcha lenta".
Eu escolhi um potênciometro da marca Curtis, que além de ter uma montagem mecanica adequada também tem uma chave que sensoriza quando o acelerador está solto (ou seja, não pressionado). Esta informação (acelerador não pressionado) vai ser utilizada pelo computador de bordo do carro conforme explicado adiante. Este potenciômetro tem resistência elétrica que varia de 0 a 5 kohms e é adequado ao controlador AXE que escolhi.
Eu escolhi um potênciometro da marca Curtis, que além de ter uma montagem mecanica adequada também tem uma chave que sensoriza quando o acelerador está solto (ou seja, não pressionado). Esta informação (acelerador não pressionado) vai ser utilizada pelo computador de bordo do carro conforme explicado adiante. Este potenciômetro tem resistência elétrica que varia de 0 a 5 kohms e é adequado ao controlador AXE que escolhi.
Potênciometro de controle do acelerador
Medição da corrente do motor
O controlador Alltrax que adquiri
permite a leitura da corrente média aplicada ao motor
através do uso do software disponibilizado gratuitamente. Como
não tive tempo de descobrir o protocolo de
comunicação empregado pelo controlador, e como pretendo
construir no futuro meu próprio controlador, decidi agregar ao
meu projeto um "shunt" de corrente. Um shunt é um resistor de
baixo valor ôhmico que é colocado em série com o
motor, e que desenvolve em seus terminais uma tensão que
é proporcional à corrente que está circulando. Meu
shunt desenvolve 50mV a cada 150 A que circulam sobre ele.
O shunt de corrente que escolhi.
Como a corrente que circula pelo motor não é verdadeiramente contínua, mas uma sequencia de impulsos de duração variável gerada pelo controlador, quando do projeto do computador que fará a leitura da corrente tomarei o cuidado de integrar os pulsos para assim poder avaliar qual é a corrente média aplicada ao motor.
Contactora principal
Um requerimento fundamental para a segurança de veículos elétricos é dotá-los de alguma forma de desligamento de emergência. Imagine que o controlador (chaves eletrônicos) entre em curto circuito por alguma razão - a máxima tensão sería aplicada ao motor, independentemente da posição do pedal do acelerador. Como meu projeto não prevê o uso da embreagem mecânica não haveria maneira de desconectar a alimentação e parar o veículo se não for possível desligar as baterias. Com esta finalidade os veículos elétricos incorporam a chamada "contactora" : uma chave eletromagnética que permite ligar e desligar um circuito de alta corrente como o que alimenta o motor.
As contactoras são acionadas pela aplicação de uma corrente relativamente baixa a um solenóide que atrai um conjunto de contatos dimensionados para suportar correntes elétricas mais elevadas. Existem contactoras de uso industrial no Brasil, mas suas bobinas são dimensionadas em geral para 220V ou 380 V corrente alternada, e não para tensões baixas como as que pretendo usar no meu veículo.
Eu desmontei e reenrolei a bobina de algumas destas contactoras industriais, mas a corrente elétrica necessária para fazer o mecanismo delas atuar precisa ser muito alta pois o espaço disponível para a bobina é pequeno e o fio necessário para construir um solenoide para trabalhar em 12 volts que é a tensão dos circuitos de baixa potência do carro tem que ser muito grosso. Em testes em bancada consegui fazer com que estes solenoides modificados funcionassem bem com correntes acima de 3 amperes, o que é inaceitável se considerarmos que isto representa 3A x 12V = 36 watts perdidos apenas na contactora.
Decidi então comprar uma contactora comercial americana (modelo Albright SW200), e quando ela chegou e fui testar seu funcionamento descobrí que ela consome quase 2 amperes em 12 V para ficar acionada! Entretanto, uma vez acionada com esta corrente, posso diminuir consideravelmente a corrente de manutenção da mesma sem que ela desarme. Com PWM´s na cabeça decidi construir um circuito redutor de corrente para uso com minha contactora, que descrevo a seguir.
Redutor de corrente para a contactora principal
O circuito redutor de corrente foi o primeiro projeto completo para uso no Gurgel. Ele consiste em um circuito temporizador e chaveador de alta frequencia, que funciona da seguinte maneira:
O shunt de corrente que escolhi.
Como a corrente que circula pelo motor não é verdadeiramente contínua, mas uma sequencia de impulsos de duração variável gerada pelo controlador, quando do projeto do computador que fará a leitura da corrente tomarei o cuidado de integrar os pulsos para assim poder avaliar qual é a corrente média aplicada ao motor.
Contactora principal
Um requerimento fundamental para a segurança de veículos elétricos é dotá-los de alguma forma de desligamento de emergência. Imagine que o controlador (chaves eletrônicos) entre em curto circuito por alguma razão - a máxima tensão sería aplicada ao motor, independentemente da posição do pedal do acelerador. Como meu projeto não prevê o uso da embreagem mecânica não haveria maneira de desconectar a alimentação e parar o veículo se não for possível desligar as baterias. Com esta finalidade os veículos elétricos incorporam a chamada "contactora" : uma chave eletromagnética que permite ligar e desligar um circuito de alta corrente como o que alimenta o motor.
As contactoras são acionadas pela aplicação de uma corrente relativamente baixa a um solenóide que atrai um conjunto de contatos dimensionados para suportar correntes elétricas mais elevadas. Existem contactoras de uso industrial no Brasil, mas suas bobinas são dimensionadas em geral para 220V ou 380 V corrente alternada, e não para tensões baixas como as que pretendo usar no meu veículo.
Eu desmontei e reenrolei a bobina de algumas destas contactoras industriais, mas a corrente elétrica necessária para fazer o mecanismo delas atuar precisa ser muito alta pois o espaço disponível para a bobina é pequeno e o fio necessário para construir um solenoide para trabalhar em 12 volts que é a tensão dos circuitos de baixa potência do carro tem que ser muito grosso. Em testes em bancada consegui fazer com que estes solenoides modificados funcionassem bem com correntes acima de 3 amperes, o que é inaceitável se considerarmos que isto representa 3A x 12V = 36 watts perdidos apenas na contactora.
Decidi então comprar uma contactora comercial americana (modelo Albright SW200), e quando ela chegou e fui testar seu funcionamento descobrí que ela consome quase 2 amperes em 12 V para ficar acionada! Entretanto, uma vez acionada com esta corrente, posso diminuir consideravelmente a corrente de manutenção da mesma sem que ela desarme. Com PWM´s na cabeça decidi construir um circuito redutor de corrente para uso com minha contactora, que descrevo a seguir.
Redutor de corrente para a contactora principal
O circuito redutor de corrente foi o primeiro projeto completo para uso no Gurgel. Ele consiste em um circuito temporizador e chaveador de alta frequencia, que funciona da seguinte maneira:
A contactora é ligada em J1.
Ao alimentar-se o circuito, IC1A inicia a oscilar, gerando
um sinal de 10 khz com um ciiclo de trabalho de aproximadamente 35%. R4
e C2 formam uma constante de tempo de aproximadamente 1,2 segundos, o
que inibe as porta NAND formada por IC1 B, C e D, que ficam com a
saída em nivel alto. Isto faz com que o MOSFET Q1 conduza e atue
o solenoide com sua corrente nominal. Cerca de 1,2 segundos depois o
nível de tyensão sobre C2 já é tal que
permite a transferência dos impulsos gerados por IC1A para Q1,
que começa a chavear ligando e desligando a corrente sobe a
bobina da contactora, que baixa de cerca de 2A para menos de 0,3A. D1
é um diodo que proteje Q1 do elevado potencial que aparece
quando de sua comutação (abertura). C3 é um
capacitor eletrolítico de grande valor que fornece a corrente de
pico mais alta necessária para acionar a contactora.
O circuito foi montado em uma placa de cicruito impresso universal e fixada à contactora. Esta solição simples certamente torna a vida útil da contactora mais alta devido à menor dissipação de calor, além de reduzir consideravelmente a carga do circuito de baixa tensão do veículo.
Circuito redutor de corrente montado
Contactora já com a caixinha com o circuito redutor de corrente montado. O Led indica que a contactora foi acionada.
Forma de onda aplicada sobre a contactora depois de passados 1 segundo. O ciclo de trabalho é de 40% aproximadamente.
O circuito foi montado em uma placa de cicruito impresso universal e fixada à contactora. Esta solição simples certamente torna a vida útil da contactora mais alta devido à menor dissipação de calor, além de reduzir consideravelmente a carga do circuito de baixa tensão do veículo.
Circuito redutor de corrente montado
Contactora já com a caixinha com o circuito redutor de corrente montado. O Led indica que a contactora foi acionada.
Forma de onda aplicada sobre a contactora depois de passados 1 segundo. O ciclo de trabalho é de 40% aproximadamente.
Acoplamento do motor à caixa de câmbio
Eu decidi não utilizar nenhuma forma de desacoplamento mecânico entre a caixa de câmbio e o motor. Já comentei isto antes, a idéia é economizar em massa desnecessária e também obter uma forma durável de acoplamento do motor com a caixa de câmbio. Meu amigo Eng. Nestor Vogel (o cara que me salva sempre nas horas complicadas com soluções mecânicas!) sugeriu-me usar um conjunto denominado "acoplamento elástico" como forma de ligar o eixo do motor à caixa de câmbio. Desta maneira eventuais desalinhamentos na montagem do motor seriam corrigidos e o processo de montagem e desmontagem ficaria muito simples.
Esta conexão consiste de duas peças que se encaixam e tem entre eleas uma membrana de borracha sintética. Elas tem características interessantes para o acoplamento e são fáceis de adaptar.
Acoplamento elástico desmontado
Após adquirir um acoplamento deste tipo, providenciamos a sua furação para adaptação ao eixo do motor e ao eixo da caixa de câmbio em uma tornearia. Optei por cortar uma parte do eixo que sai da caixa de câmbio como forma de aproximar o motor e reduzir a dimensão do conjunto, uma vez que o capot do gurgel supermini é curto por causa do motor Enertron.
O Nestor cortou então uma placa de madeira com dimensões adequadas para montar provisóriamente o conjunto e testar seu funcionamento.
Motor com acoplamento flexivel e placa de madeira para teste
A ponta do eixo da caixa de câmbio que foi cortada. A idéia é fazer o motor entrar o máximo possível na "cabeça de porco".
A outra metade do acoplamento flexível foi montada na entrada da caixa de câmbio.
Vista do acoplamento montado. Uma peça do acoplamento elástico foi fixada no eixo do motor e a outra ao eixo de entrada da caixa de câmbio.
Após conferir as dimensões
e a funcionalidade do sistema, meu amigo Nestor desenhou a placa de
acoplamento e mandei cortá-la em uma empresa especializada em
contes com jato de água utilizando duralumínio de 1/2
polegada de espessura. QUatro peças em forma de meia lua foram
também cortadas para manter o conjunto do motor fixado encaixado
dentro da cabeça de porco conforme pode ser visto na figura
abaixo.
Vista da placa definitiva montada.
Vista do conjunto montado. O motor entra parcialmente para dentro da cabeça de porco que faz a fixação com a caixa de câmbio.
Restauração da carroceria e mecânica do Gurgel
Antes da montagem dos compoentes mecânicos de propulsão decidi restaurar inteiramente o meu gurgel. Para tanto toda a suspensão foi desmontada, tratada com jato de areia, recebeu revestimento de tinta anti-ferrugem e posteriormente foi pintada de preto. A parte de baixo foi toda revestida de material emborrachado e pintada de preto, incluindo o cofre do motor. As fotos a seguir mostram algumas fases deta restauração.
A carroceria sendo preparada para receber o fundo. Todas as trincas foram lixadas e restauradas.
Detalhe do lado direito. O meu supermini é versão L, com espelho retrovisor apenas do lado esquerdo.
Detalhe da suspensão ainda sendo montada. Foram colocados discos, pastilhas, lonas, amortecedores e borrachas.
Cofre do motor já pintado e ainda sem o motor.
Este é o Paulinho, responsável pela restauração da carroceria e pintura.
Antes da montagem dos compoentes mecânicos de propulsão decidi restaurar inteiramente o meu gurgel. Para tanto toda a suspensão foi desmontada, tratada com jato de areia, recebeu revestimento de tinta anti-ferrugem e posteriormente foi pintada de preto. A parte de baixo foi toda revestida de material emborrachado e pintada de preto, incluindo o cofre do motor. As fotos a seguir mostram algumas fases deta restauração.
A carroceria sendo preparada para receber o fundo. Todas as trincas foram lixadas e restauradas.
Detalhe do lado direito. O meu supermini é versão L, com espelho retrovisor apenas do lado esquerdo.
Detalhe da suspensão ainda sendo montada. Foram colocados discos, pastilhas, lonas, amortecedores e borrachas.
Cofre do motor já pintado e ainda sem o motor.
Este é o Paulinho, responsável pela restauração da carroceria e pintura.