30/05/13

Dimensionamento da redução

        Por coincidência, encontrei um motor bem parecido esteticamente com o que possuo.


Dimensionamento da redução

Dados:

  • Considerando que o motor que eu tenha  seja esse;
  • Pneu da bike tem 64 cm diâmetro;
  • Perímetro da roda = 2*Pi*R = 2*Pi*0,64/2 = 2,01 metros ou aproximado 2 metros;
  • Peso da bike mais bateria, controlador, motor e eu 100 Kg;
  • Redução 1,5:1 (do motor á roda);
  • Força de atrito Fa=15N.
          Para calcular a força de atrito, fiz um experimento simples: Pedalei até chegar a uma velocidade de 5 km/h e contei o tempo que ela demorava para parar. Ela demorou cerca de 7,5 segundos e meio em uma pista quase sem inclinações.
  • 5 km/h = 5/3,6 = 1,4 m/s
  • A=V/T => A=1,4/7,5 => Aceleração= 0,18 m/s²
  • F=m*a => F=80*0,18 = 15N
Obs: 80 kg é o peso aproximado da bike com eu em cima.

Vamos calcular: 

           Velocidade final:
  • Peso 80 Kg (Bike e eu) + Peso 20 Kg (Baterias, controlador e motor) =100Kg
Obs: Força de atrito é proporcional a força normal e há também a força de atrito gerada pelo vento que vai ser proporcional a velocidade, então a Fa será maior que 15N, contudo, como estamos querendo apenas fazer uma aproximação, vamos utilizar 15N.
  • A força na roda vai ser igual a força de atrito na velocidade máxima.
  • Torque na roda => T=d*F => T=15*0,32(raio da roda) = 4,8 Nm
  • 4,8/1,5(redução)=3,2 Nm
  • 3,2 Nm = 320 Ncm

               Isso significa que o motor estará com uma rotação de 800 RPM. Na roda a rotação vai ser: 800/1,5 = 533 RPM. 533*2(Perímetro da roda) = 1066 m/min ou 64 Km/h.

           Aceleração inicial:

  • Torque do motor(Tm) a 0 RPM = 355 Ncm
  • Ta=320 Ncm
  • Toque do sistema = Tm-Ta = 35 Ncm
  • 35*1,5(redução) = 52 Ncm
  • Torque na roda = 0,52 Nm
  • T=F*d => 0,52=F*0,32 = 1,7 N
  • F=m*a => 1,7=100*a => a=0,017 m/s²
               É importante lembrar que a curva de aceleração e velocidade são curvas exponencial, portanto a velocidade máxima nunca será atingida.

               Corrente do motor:

               Bom pelo gráfico podemos ver que a rotação vai passar de 0 a 800 RPM, então a corrente irá variar ,aproximadamente, de 70A no início a 47A quando atingi-se a velocidade final. Com uma corrente tão alta, o motor iria super aquecer e queimar, isso sem contar que o motor vai perdendo força a media que esquenta.
           
             Solução:

            Para que seja prolongada a vida útil do motor e das baterias, é preciso uma redução que faça o motor trabalhar perto da faixa de rotação e torque nominal. Pensando nisso, o ideal seria colocar uma redução de 11:1. Assim o torque inicial será mais forte e o motor vai passar menos tempo consumindo essa corrente absurda


               Velocidade final:
    • Torque na roda => T=d*F => T=15*0,32(raio da roda) = 4,8 Nm
    • 4,8/11(redução)=0,44 Nm
    • 0,44 Nm = 44 Ncm
    • Torque nominal = 75 Ncm

              Quando o motor atingir a velocidade máxima, a rotação na roda vai ser: 2655/11 =  240RPM. 240*2(Perímetro da roda) = 480 m/min ou 28,8 Km/h.

               Aceleração inicial:

    • Torque do motor(Tm) a 0 RPM = 355 Ncm
    • Ta=44 Ncm
    • Toque do sistema = Tm-Ta = 311 Ncm
    • 311*11(redução) = 3421 Ncm
    • Torque na roda = 34,21 Nm
    • T=F*d => 34,21=F*0,32 = 107 N
    • F=m*a => 107=100*a => a=1 m/s²
                   Ou seja, ao final do primeiro minuto, a velocidade será quase igual a velocidade máxima. 

                   Corrente do motor:

                   A rotação vai passar de 0 a 2655 RPM rapidamente, por conta do torque, então o motor passará pouco tempo consumindo 70A. Apesar disso, o valor inicial da corrente ainda é alto, portanto é necessário que o controlador controle a potência do motor de forma que a corrente não ultrapasse um valor máximo. Esse valor máximo é o limite de corrente que o conjunto baterias pode fornecer.

    Quanto mais elevada for a corrente de descarga da bateria, mais rápida será a de deterioração e a desagregação do material ativo das placas dos elementos. Por exemplo, uma bateria descarregada em regime de 30 minutos dura aproximadamente 70% de uma bateria similar descarregada em regime de cinco horas.

    29/05/13

    Osciloscópio para PC

    A ideia é usar o conversor A/D da placa de som para visualizar o sinal.
    É mais uma gambiarra, mas funciona.

    Meu teste:

    Como eu não quero arriscar minha placa, fiz uma modificação no circuito reduzir mais a tensão.
    Resistor de 1K Ohm, Diodo PH4148 e obtive uma dedução de 1:0,05
    A tensão fica um pouco imprecisa, mas da pra quebrar um galho.

    Estudante do DF transforma Gurgel ano 90 em carro elétrico

    Ewerson Freitas, um amigo e colega do curso de técnico em eletrônica, apareceu na globo com seu carro elétrico. Parabéns Ewerson, você vai longe!
    Segue a reportagem a baixo:

    Veículo é carregado na tomada, anda 40 min sem parar e faz até 70 km/h.
    Projeto custou R$ 70 mil; consumo é menor que de micro-ondas, diz jovem.



               Após três anos de pesquisa, planejamento, e muito trabalho, o estudante de engenharia mecânica Ewerson Freitas, de 20 anos, conseguiu concluir a adaptação de um carro movido à energia elétrica no Distrito Federal. Segundo o jovem, o carro anda 40 minutos sem parar e chega a fazer 70 km/h com seis baterias de 12 volts. Com a carga cheia, ele percorre cerca de 45 quilômetros. Além de reduzir a emissão de gases e poluentes, o carro não tem ruídos e vibrações.

               “Funciona 100% elétrico, tem o rendimento perfeito”, diz o estudante. “O consumo dele é mais baixo que de um microondas ligado, o equivalente a uma televisão de médio porte.”
    As baterias, que levam 10 horas para serem carregadas, ficam localizadas na parte da frente e no porta malas do carro. Para recarregá-las, basta ligar o carro a uma tomada. “É a mesma coisa que pegar e ligar a geladeira na tomada. Tem uma extensão de cinco metros”, diz. “Pego a extensão, ligo na tomada e carrego.”



    Veículo do modelo Gurgel foi adaptado para andar movido à energia elétrica (Foto: Divulgação)

               Com o apoio de um empresário que conheceu em uma feira de ciências, Ewerson comprou por R$ 6 mil um veículo do modelo Gurgel, dos anos 90, e substituiu o motor convencional dele.



               O custo do total do projeto, diz o estudante, foi de R$ 70 mil, entre peças, horas trabalhadas e experimentação. O jovem diz que utilizou 90% de peças nacionais e diversas peças de sucata para a produção do motor. “Muita coisa encontramos no ferro velho e alteramos. Fomos montando um Frankenstein, pegando pedaços”, disse.



               Ewerson diz que a grande motivação para adaptar um carro movido a baterias foi a questão ambiental. “A ideia principal dele é ser um carro que não seja poluente, que não tenha emissão de gases poluentes, que seja um carrinho urbano, mesmo”, diz. “Não adianta dizer que é ambientalista e usar uma caminhonete poluente gigante e ir sozinho para o trabalho.”

               O estudante diz, no entanto, que não pode usar o carro para andar na cidade porque não tem a documentação adequada. “Por ser um carro convertido, existe um projeto burocrático imposto pelo governo”, diz. “Para os especialistas no assunto, ter alterado as peças originais do carro pode comprometer, dar problemas. Se eu fizer um carro meu do zero, é muito mais fácil com a documentação do que pegar um carro de montadora e converter ele, burocraticamente falando”.

               Agora, Ewerson pretende fazer melhorias no carro que apelidou de “Gurgelzinho”, ou “Gugu”. O jovem diz que sonha em abrir uma empresa no segmento de veículos elétricos no futuro, mas que não quer perder o foco. “São só sonhos”, diz.


    A mesma reportagem, porém de outra emissora:


    Jovem adapta carro comum para funcionar com eletricidade

    24/05/13

    Dimensionamento do conjunto de baterias


    Tipo:

                  Para definir o tipo da bateria se deve levar em conta, em primeiro lugar, a aplicação em que a mesma será utilizada. No caso do meu projeto é uma aplicação de ciclagem, onde a bateria está submetida, com alguma frequência, a ciclos de carga e descarga. Dentro desse grupo, existem as bateria tracionárias, utilizadas em tração elétrica (empilhadeiras elétricas, carros elétricos, etc.) e estacionárias, utilizadas para armazenar energia não convencional (energia solar ou eólica). Uma das principais diferenças entre as duas é a resistência à vibração.

    Obs: Baterias automotivas, chumbo ácido, não servem para tal função, pois são projetadas para utilização em sistemas de ignição de veículos automotores. Esta condição lhe impõe descargas elevadas de corrente em períodos de tempo da ordem de 10 a 20 segundos. Elas não ser descarregadas mais que 5% de sua capacidade total. Uma descarga profunda pode danificar rapidamente este tipo de bateria. Há também baterias de íon-lítio que, sem dúvida, são as melhores, pois possuem uma grande capacidade de armazenamento, são muito leves e suportam mais ciclos, contudo o seu preço ainda é muito alto. 

    Capacidade nominal (Ah):

                  É a capacidade definida em condições estabelecidas de temperatura ambiente, duração de descarga e tensão final. O valor de capacidade está indicado em Ah(amperes hora) referido a uma duração de descarga. Ex:100Ah em 10hs. Esse valor indica o valor total da corrente que a bateria ira fornecer em um determinado tempo.
                  Para calcular a capacidade para um determinado sistema, deve-se consultar as tabelas ou curvas de descargas oferecidas pelos fabricantes para determinar o tempo durante o qual se pode obter a corrente requerida, pois uma bateria tende a uma capacidade diferente da capacidade nominal se o regime da corrente de descarga escolhido não for o nominal. Para calcular com a corrente de descarga nominal, faça o seguinte calculo:
    • Capacidade Nominal (Ah)
    • Corrente Nominal (I)
    • Tempo de descarga (T)
    • Ah = I*T
    • Ex: Bateria de 33Ah conectada a uma carga com corrente constante de 6A => 33/6 = 5,5h OU 5:30h para uma descarga total.

    Fatores que diminuem o tempo de vida da bateria:


          1.  Profundidade de Descarga

                  Quanto maior for a profundidade de descarga da bateria, maior será a quantidade de deterioração e desagregação do material ativo das placas dos elementos. Uma descarga mais profunda resulta também em uma corrente proporcionalmente maior do carregador, que resulte por sua vez em sobrecarregar e que resulte por sua vez em sobrecarregar e em uma corrosão mais severa da placa positiva. No geral, quanto mais profunda a descarga, mais baixo o número dos ciclos que uma bateria pode atender. Por exemplo, na profundidade de 50% da descarga, uma bateria tracionária pode dar aproximadamente 2000 ciclos, mas na profundidade de 80% da descarga, somente 1500 ciclos podem se esperar.

          2.  Corrente de Descarga

                  Quanto mais elevada for a corrente de descarga da bateria, maior será a quantidade de deterioração e desagregação do material ativo das placas dos elementos. Por exemplo, uma bateria descarregada em regime de 30 minutos dura aproximadamente 70% de uma bateria similar descarregada em regime de cinco horas. A corrente de descarga aplicada para cada regime de operação não deve ultrapassar os valores especificados pelo fabricante, o não cumprimento causará redução do tempo de vida da bateria.

          3.  Corrente de Recarga

                  Quando o valor da corrente é mais elevado, a temperatura do eletrólito aumentará, ocasionando  corrosão e desagregação do material ativo das placas positivas. Estes fatores encurtarão basicamente a vida útil da bateria. As baterias devem ser recarregadas com 10% a mais dos ampere-hora consumido durante o ciclo de descarga. A corrente inicial deve ser entre 18 a 20% da capacidade nominal da bateria, sendomelhor aplicada quando a bateria estiver com temperatura abaixo de 35ºC. A corrente final deve ser entre 3 a 5% da capacidade nominal da bateria, dependendo do tempo de vida da bateria, sendo melhor aplicada quando a bateria estiver com temperatura abaixo de 35ºC.

          4.  Temperatura de operação

                  A temperatura pode influenciar tanto no rendimento como na vida útil da bateria. Consulte o manual do fabricante para saber a temperatura de operação.



    Pratica:

                  Bom, no meu projeto, a corrente do sistema irá variar, com auxílio do controlador, de 40A a 10A, porem, em média, a corrente ficar em torno de 25A. Como não pretendo gastar muito nesse projeto, vou escolher baterias de gel. Baterias de gel não são tão apropriada para esse tipo de aplicação, pois não possuem boa resistência à vibrações e operam com correntes de carga e descarga menores que as tracionárias, mas possuí um ótimo custo-benefício para pequenos projetos.
    http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-482834783-bateria-gel-vrla-33ah12v-no-break-sistemas-d-seguranca-etc-_JM

                  Com duas baterias dessa em paralelo e considerando que a profundidade da descarga seja de 70%, a autonomia da bike será de, aproximadamente:

    Obs: Como foi dito acima, 33Ah é a capacidade nominal. Como a corrente de operação de cada bateria será  em torno de 10A, essa capacidade irá diminuir. Não levei isso em conta no calculo a seguir, pois não encontrei o datasheet dela na internet.
    • Capacidade: 66*0,7= 46,2 Ah ou aprox. 45 Ah
    • C=I*t => 45Ah = 25A * t => t= 1,8h ou aprox. 1 hora e 50 minutos.
    • Considerando que a velocidade média da bike será de 20 Km/h, ela percorrerá cerca de 36 Km.
    • Peso do conjunto de baterias = 26 Kg
    • Preço do conjunto = 400,00R$
                  Outra opção seria comprar bateria 14 baterias UP1270 com um total de 392,00R$ e coloca-las em paralelo. Peso do conjunto de baterias 30Kg.

                  Dessa forma ficaria: 20A/14 = 1,4A por bateria. Segundo o datasheet dela, com uma corrente de descarga de 1A a capacidade diminui para 5,3 Ah.
    • 5,3*14 = 74 Ah
    • Profundidade da descarga até 70% => 74*0,7 = 51 Ah
    • Autonomia: C=I*t => 51Ah = 25A * t => t= 2 hs
    • Distância média: 40 Km
    • Peso do conjunto de baterias = 30 Kg
    • Preço do conjunto = 398,00R$