Banco de baterias

Vamos calcular o nosso banco de baterias.

   O cálculo leva em consideração a necessidade de se utilizar o veículo elétrico para as necessidades diárias de locomoção e não apenas para se ter um brinquedinho caro.
   Velocidade constante de até 54km/h (15m/s) é necessária para uma mínima utilização no trajeto regular diário (casa x trabalho x escola x supermercado).
 

As principais fontes de energia são:

Petróleo
Carvão
Gás Natural
Energia Nuclear
Hidroelétricas
Vento
Bio combustíveis (Ethanol)
Solar
Geotermal


Esta na hora de falar um pouco sobre o banco de baterias.
   As baterias são acumuladores, capazes de transformar energia química em elétrica e vice versa.
   A bateria portanto pode ser considerada uma fonte de energia, desde que esteja carregada
   É importante saber que bateria NÃO É uma fonte de energia. A bateria não consegue gerar energia, ela armazena, acumula, guarda, etc, uma energia que foi colocada nela previamente por uma fonte de energia de verdade.
   Fontes de energia são a gasolina, ethanol (cana e cânhamo), óleo diesel, gnv, glp, sol (painel solar), vento, água em potencial (represa cheia, pois se estiver na reserva mínima, o pessoal não vai gostar de ver você recarregar suas baterias com a água que é prioridade para o consumo humano), urânio, hidrogênio, carvão, lenha, carboidratos em geral (carros ainda não consomem carboidratos, mas suas pernas podem dar umas pedaladas de vez em quando).
   Energias precisam ser transformadas em eletricidade e esta transformação pode em alguns casos ser bem custosa, sol (painel solar), hidrogênio.
   Para transportar esta energia junto com o conversor, eles tem que ser móveis (tem que caber dentro de um carro), usinas em geral estão descartadas.
   Posto isso, comparando todas as formas de energia disponíveis hoje em dia para utilização em um veículo elétrico, a gasolina/ethanol/diesel são disparadas as melhores formas de se conseguir energia elétrica para abastecer um banco de baterias móvel.
   Só que é esquisito termos um carro elétrico funcionando à base de gerador. Melhor deixar o motor à combustão do jeito que está. Cuidar da manutenção, calibrar os pneus e andar devagar ainda é melhor do que uma conversão elétrica mal planejada.
   Então, será que compensa converter o carro pra elétrico? Sim, compensa. Se o banco de baterias for bem planejado.

   Quais são as características que o banco deve ter então:
   a) Deve ser capaz de manter o consumo energético em velocidade de tráfego normal na via utilizada na rotina diária. (casa, trabalho, escola, supermercado).
   b) Deve durar pelo menos uns 5 anos. Menos que isso não compensa. É um custo muito alto pra ser trocado a cada 1,5 ano ou 3 anos. 5 anos é praticamente a vida de um carro, a partir disso um monte de peças também terá que ser trocada.
   c)  Deve ser capaz de se preservar, se você ficar sem utilizar o banco por um ano, a vida útil se preserva por um ano, desde que mantida uma corrente de manutenção (flutuação). Ou seja são 5 anos de real utilização, carga e descarga.

 Quais são as características que o banco NÃO deve ter então:
   a) Não deve ser utilizado para acelerar o veículo. Baterias em geral não conseguem fornecer muita energia em curto espaço de tempo. Ou a resistência interna é muito grande e vai provocar uma queda de tensão igualmente grande e você não vai ter de volta toda a energia que foi armazenada no banco (chumbo ácido), ou vai provocar literalmente uma explosão (lítio).
   b) Não deve ser utilizado para armazenar a energia da frenagem regenerativa. Na frenagem regenerativa, aparece uma tensão muito alta em curto espaço de tempo. Tensão alta provoca corrente alta e se você tentar colocar esta corrente alta no seu banco de baterias, se não explodir (lítio), você vai reduzir drasticamente a vida do banco. Mais provável será ferver todo o eletrólito, explodindo também pela formação de gás em excesso, antes de se conseguir armazenar uma pequena parte deste pico de energia. Carga rápida não é jogar um monte de energia na bateria e esperar a recarga por pouco tempo. Carga rápida é jogar uma quantidade de energia rapidamente, mas que a bateria suporte.
   Então não se deve cobrar muito das baterias, nem na carga nem na descarga.

   Se não podemos cobrar muito das baterias na descarga, qual deve ser o regime de descarga então?
   O regime C1 é o pior. Nem leve em consideração este regime para seus cálculos. O regime C1 é a descarga em 1 hora de utilização. Por exemplo, se a bateria indicar 50A/h, significa que durante 1 hora teremos 50A. Na verdade isto não acontece na prática.
   Se a bateria descarregar muita corrente ou a bateria vai explodir (lítio). Ou a resistência interna (chumbo ácido) vai produzir uma queda de tensão e em menos de 1 hora os 12v da bateria serão 11v ou 10,5v. Não servindo mais para o propósito de fornecer energia em 12v.

   O regime C1 é o que mais reduz a vida útil do banco, é o que fornece menos energia pelo espaço ocupado, fornece energia durante menos de 1 hora. Mas é o que entrega a maior quantidade de corrente para utilização.

   O regime C20 é o que mais garante a vida útil ao banco, é o que fornece mais energia pelo espaço ocupado, fornece energia durante 20 horas ininterruptas. Mas é o que entrega a menor quantidade de corrente para utilização.

   Entre o C1 e o C20, você pode escolher vários, o regime C5 é o melhor, pois a descarga garante boa vida útil, torna o tamanho do banco reduzido para uma dada quantidade de corrente e pode fornecer energia ininterrupta por até 5 horas. Pode-se ir durante 2h e meia e voltar as outras 2 horas e meia sem precisar recarregar. Bastante não é?

   Qual a quantidade de energia necessária para deslocar uma massa em velocidade constante?
   Depende da massa e da velocidade que queremos manter. Não vou entrar em detalhes de cálculos, mas tem que levar em consideração a força de atrito, a força peso (estas duas forças praticamente independem da velocidade), e da força do vento (diretamente dependente da velocidade).

   Um veículo de 1200kg em velocidade constante de 56km/h (15m/s) , Cx  = 0,29, area frontal de 2m2 gasta para se manter em movimento 3,8kW.

   Para se preservar ainda mais a vida de um banco de baterias é conveniente limitar o ciclo de descarga em até 80%, mesmo as de ciclo profundo.

   O modelo 5HDP126 da Moura é uma bateria de ciclo profundo e fornece 116A em 5 horas de descarga. Regime C5. Então em uma hora esta bateria vai fornecer 116A / 5 = 23,2 A/h.
   
   Descarregando até 80% (descarga parcial) fica então 92,8A em 5 horas. Como vou descarregar até 23,2 A/h, o meu banco vai descarregar 80% da carga total em 4 horas. 92,8A / 23,2 = 4;.

    Acabei de criar um banco de baterias de ciclo profundo com descarga parcial de até 80% e regime de descarga em C5 de 23,2A/h. Isto é, um banco que vai fornecer 23,2A/h durante 4 horas ininterruptas.
   Este banco terá 320v. Portanto uma capacidade de armazenamento de (23,2A x 4h) x 320v = 29,7kW ou 1,07E+05 J e potência de 320v x 23,2A = 7,43kWh ou 2,67E+04 J
   Esta bateria pesa com o eletrólito 10kg.  Colocando 26 baterias em série pesará 260kg.

   Este banco terá as seguintes características:
320v; 23,2A/h durante 4horas; regime C5; descarga parcial de 80% e pesará 260kg.

Este banco não foi projetado para nem subir morros nem acelerar o veículo.

    Se as baterias não vão fornecer a energia para uma boa aceleração, quem vai? Um banco de super-capacitores é a resposta.
   Um banco de super-capacitores será usado para a aceleração e consequentemente reabsorção da energia cinética na frenagem regenerativa. Só com super-capacitores é que a frenagem se torna realmente eficiente e útil.
   A ligação deste banco de capacitores ao banco de baterias não é apenas colocá-los em paralelo. É necessário uma certa montagem elétrica para que este banco fique realmente utilizável para acelerar e para armazenar. Por exemplo se os capacitores estiverem em paralelo o tempo todo com as baterias, estarão carregados o tempo todo, portanto em que momento ele poderá absorver a energia da frangem? Em tempo nenhum pois já estarão carregados. Então é necessário uma certa configuração entre estes dois bancos.