Veículos Elétricos: Uma Revolução Sustentável no Transporte

Contexto

Diferente do automóvel a gasolina, o automóvel elétrico não se desenvolveu facilmente em um meio de transporte viável. No início do século XX, o carro elétrico foi vigorosamente perseguido por pesquisadores; no entanto, o automóvel a gasolina facilmente produzido em massa sufocou o interesse no projeto. Pesquisa diminuiu de 1920–1960 até questões ambientais de poluição e diminuição de recursos naturais reacenderem a necessidade de um transporte mais ecológico. Tecnologias que suportam bateria confiável e o peso do número necessário de baterias elevaram o preço de fabricar um veículo elétrico. Do lado positivo, a eletrônica automotiva tornou-se tão sofisticada e pequena que é ideal para aplicações de veículos elétricos.

História

O desenvolvimento inicial do automóvel focou em energia elétrica em vez de gasolina. Em 1837, Robert Davidson da Escócia parece ter sido o construtor do primeiro carro elétrico, mas não foi até os anos 1890 que carros elétricos foram fabricados e vendidos na Europa e América. Durante o final dos anos 1890, estradas dos EUA eram populadas por mais automóveis elétricos que aqueles com motores de combustão interna.

Um dos construtores mais bem-sucedidos de carros elétricos nos EUA foi William Morrison de Des Moines, Iowa, que começou a comercializar seu produto em 1890. Outros pioneiros incluíram S. R. e Edwin Bailey, equipe pai-filho de fabricantes de carruagens em Amesbury, Massachusetts, que adaptaram motor elétrico e bateria a uma de suas carruagens em 1898. A combinação era pesada demais para a carruagem puxar, mas os Baileys persistiram até 1908 quando produziram modelo prático que podia viajar cerca de 80 km (50 mi) antes da bateria precisar recarga.

Grande parte da história do carro elétrico é realmente a história do desenvolvimento da bateria. A bateria chumbo-ácido foi inventada por H. Tudor em 1890, e Thomas Alva Edison desenvolveu a bateria níquel-ferro em 1910. A versão de Edison aumentou a produção de carros e caminhões elétricos, e o próprio inventor interessava-se pelo futuro do carro elétrico. Ele combinou esforços com os Baileys quando adaptaram uma de suas novas baterias de armazenamento a um de seus veículos, e promoveram-no em série de demonstrações públicas. A Bailey Company continuou a produzir carros elétricos até 1915, e estava entre mais de 100 empresas de automóveis elétricos que prosperaram no início do século nos EUA apenas. A Detroit Electric Vehicle Manufacturing Company foi a última a sobreviver, cessando operações em 1941.

Automóveis elétricos eram populares porque eram limpos, silenciosos e fáceis de operar; no entanto, dois desenvolvimentos melhoraram o veículo a gasolina tanto que a competição foi inexistente. Em 1912, Charles Kettering inventou o starter elétrico que eliminou a necessidade de manivela. Ao mesmo tempo, Henry Ford desenvolveu processo de linha de montagem para fabricar seu Modelo T. A montagem era eficiente e menos custosa que a fabricação do veículo elétrico. Assim, o preço de um veículo a gasolina diminuiu o suficiente para torná-lo viável para toda família comprar um automóvel. Apenas bondes elétricos, veículos de entrega que faziam paradas frequentes, e poucos outros veículos elétricos sobreviveram após os anos 1920.

Nos anos 1960, interesse no carro elétrico ressurgiu devido ao custo escalonado e oferta decrescente de petróleo e preocupação com poluição gerada por motores de combustão interna. O ressurgimento do carro elétrico na última parte do século XX tem, no entanto, sido repleto de problemas técnicos, sérias questões sobre custo e desempenho, e interesse público oscilante. Defensores advogam carros elétricos por baixo consumo e custo de energia elétrica, baixos requisitos e custos de manutenção, confiabilidade, emissão mínima de poluentes (e consequente benefício ao meio ambiente), facilidade de operação e baixo ruído.

Parte do interesse revivido foi impulsionado por regulamentações. A legislatura da Califórnia determinou que 2% dos carros novos vendidos no estado fossem movidos por motores de emissões zero até 1998. Este requisito aumenta para 4% até 2003. Fabricantes investiram em carros elétricos assumindo que interesse público seguiria a regulamentação e apoiaria proteção da qualidade do ar e meio ambiente. General Motors (GM) introduziu o Impact em janeiro de 1990. Impact tinha velocidade máxima de 176 km/h (110 mph) e podia viajar 193 km (120 mi) a 88 km/h (55 mph) antes de parada para recarga. Impact era experimental, mas, mais tarde em 1990, GM começou a transformar o carro de teste em modelo de produção. Baterias eram a fraqueza deste carro elétrico porque precisavam ser substituídas a cada dois anos, dobrando o custo do veículo comparado às despesas operacionais de modelo a gasolina. Estações de recarga não estão amplamente disponíveis, e estas complicações de inconveniência e custo deteram compradores potenciais. Em 1999, Honda anunciou que descontinuaria produção de seu carro elétrico, introduzido ao mercado em maio de 1997, citando falta de apoio público devido a estes mesmos impedimentos.

Componentes

Diferente de baterias primárias que têm vida limitada de reações químicas que produzem energia, as baterias de tipo secundário encontradas em veículos elétricos são células de armazenamento recarregáveis. Baterias são situadas em formação em T no meio do carro com o topo do "T" na traseira para melhor distribuição de peso e segurança. Baterias para carros elétricos têm sido feitas usando níquel-ferro, níquel-zinco, zinco-cloreto e chumbo-ácido.

Peso do carro elétrico também tem sido dificuldade recorrente de design. Em carros elétricos, a bateria e sistema de propulsão elétrica são tipicamente 40% do peso do carro, enquanto em carro movido a combustão interna, o motor, sistema de refrigeração e outros dispositivos específicos de propulsão somam apenas 25% do peso do carro.

Outras tecnologias em desenvolvimento podem fornecer alternativas mais aceitáveis ao público e baixas (se não zero) emissões. Uso de célula de combustível em automóvel híbrido é o desenvolvimento mais promissor no horizonte, em 1999. O automóvel híbrido tem duas usinas, uma elétrica e uma de combustão interna. Operam apenas sob as condições mais eficientes para cada, com energia elétrica para condução para-e-arranca em baixas velocidades e propulsão a gasolina para velocidades e distâncias de estrada. O motor elétrico conserva gasolina e reduz poluição, e a parte a gasolina torna paradas de recarga inconvenientes menos frequentes.

Células de combustível têm fonte química de hidrogênio que fornece elétrons para gerar eletricidade. Etanol, metanol e gasolina são estas fontes químicas; se gasolina é usada, células de combustível a consomem mais eficientemente que motor de combustão interna. Protótipos de células de combustível foram testados com sucesso, e japoneses começaram a fabricar veículo híbrido em 1998. Outra esperança futura para automóveis elétricos é a bateria de íon-lítio que tem densidade de energia três vezes maior que bateria chumbo-ácido. Três vezes o armazenamento deve levar a três vezes a autonomia, mas custo de produção ainda é muito alto. Baterias de lítio estão agora provando ser as mais promissoras, mas suprimentos limitados de matérias-primas para fazer todas estas variedades de baterias dificultarão a probabilidade de que todos os veículos possam ser convertidos à energia elétrica.

Matérias-Primas

O esqueleto do carro elétrico é chamado space frame e é feito de alumínio para ser forte e leve. As rodas também são de alumínio em vez de aço, novamente como método de economia de peso. Peças de alumínio são fundidas em fundição usando moldes especialmente desenhados únicos ao fabricante. Estruturas de assento e o núcleo do volante são feitos de magnésio, metal leve. A carroceria é feita de plástico composto resistente a impacto que é reciclável.

Baterias de carro elétrico consistem de carcaças plásticas que contêm ânodos e cátodos metálicos e fluido chamado eletrólito. Atualmente, baterias chumbo-ácido ainda são as mais usadas, embora outras combinações de fluido e metais estejam disponíveis com baterias de hidreto metálico de níquel (NiMH) a próxima fonte de energia mais provável no horizonte do carro elétrico. Baterias de carro elétrico mantêm seu fluido em almofadas absorventes que não vazam se rompidas ou perfuradas durante acidente. Baterias são feitas por fornecedores especializados. Um carro elétrico como o General Motors EV1 contém 26 baterias em unidade em forma de T.

O motor ou sistema de tração tem peças metálicas e plásticas que não precisam lubrificantes. Também inclui eletrônica sofisticada que regula fluxo de energia das baterias e controla sua conversão em potência de tração. Eletrônica também são componentes-chave para painel de controle no console; sistema computadorizado de bordo opera portas, janelas, sistema de monitoramento de pressão dos pneus, ar condicionado, partida do carro, tocador de CD e outras facilidades comuns a todos os carros.

Plásticos, enchimento de espuma, vinil e tecidos formam cobertura do painel, forros de portas e assentos. Pneus são de borracha, mas, diferente de pneus padrão, são projetados para inflar a pressões mais altas para que o carro role com menos resistência para conservar energia. Pneus de carro elétrico também contêm selante para vedar vazamentos automaticamente, também para conservação de energia elétrica. Pneus auto-vedantes também eliminam necessidade de estepe, outra característica de economia de peso e material.

Para-brisa é vidro solar que mantém interior de superaquecer no sol e geada de formar no inverno. Materiais que fornecem conservação térmica reduzem dreno de energia que aquecimento e ar condicionado impõem às baterias.

Design

Carros elétricos atuais são descritos como "veículos elétricos de produção da era moderna" para distingui-los da série de falsos inícios ao tentar desenhar carro elétrico baseado em modelos de produção existentes de carros a gasolina e de carros "kit" ou carros elétricos de engenharia privada que podem ser divertidos e funcionais mas não dignos de produção. Dos anos 1960–1980, interesse no carro elétrico foi profundo, mas desenvolvimento foi lento. O bloqueio de design da alta demanda de energia das baterias não pôde ser resolvido adaptando designs. Finalmente, no final dos anos 1980, engenheiros automotivos repensaram o problema do zero e começaram a desenhar carro elétrico do chão up com pesada consideração a aerodinâmica, peso e outras eficiências energéticas.

O space frame, estruturas de assento, rodas e carroceria foram desenhados para alta resistência para segurança e o menor peso possível. Isso significou novas configurações que fornecem suporte para componentes e ocupantes com massa mínima e uso de materiais de alta tecnologia incluindo alumínio, magnésio e plásticos compostos avançados. Como não há sistema de escape, a parte inferior é feita aerodinâmica com painel ventral completo. Todos os detalhes extras tiveram que ser eliminados mantendo confortos que motoristas acham desejáveis e adicionando novas considerações únicas a automóveis elétricos. Um detalhe eliminado foi o estepe. O detalhe da antena de rádio tipo haste foi removido; causa resistência ao vento que rouba energia e usa energia para subir e descer. Uma consideração adicionada foi o sistema de aviso a pedestres; testes de protótipos mostraram que carros elétricos rodam tão silenciosamente que pedestres não os ouvem se aproximar. Luzes piscantes e bipes ativados pelo motorista avisam pedestres que o carro está se aproximando e funcionam automaticamente quando o carro está em ré. Para-brisas de vidro solar também foram adição importante para regular temperatura interna e minimizar necessidade de ar condicionado e aquecimento.

Entre muitas outras características de design e engenharia que devem ser consideradas na produção de carros elétricos estão as seguintes:

• Baterias que armazenam energia e alimentam o motor elétrico são ciência própria no design de carro elétrico, e muitas opções estão sendo estudadas para encontrar as baterias mais eficientes que também são seguras e custo-efetivas. Motor elétrico que converte energia elétrica da bateria e a transmite ao trem de força. Motores de corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA) são usados nestes sistemas de tração ou propulsão para carros elétricos, mas motores CA não usam escovas e requerem menos manutenção.
• Controlador que regula fluxo de energia da bateria para o motor permite velocidade ajustável. Resistores usados para este propósito em outros dispositivos elétricos não são práticos para carros porque absorvem muita energia eles mesmos. Em vez disso, retificadores controlados por silício (SCRs) são usados. Eles permitem potência total da bateria para o motor mas em pulsos para que a bateria não seja sobrecarregada e o motor não seja subpotente.
• Qualquer tipo de freio pode ser usado em automóveis elétricos, mas sistemas de freio regenerativo também são preferidos em carros elétricos porque recapturam parte da energia perdida durante frenagem e a canalizam de volta ao sistema de bateria.
• Duas variedades de carregadores são necessárias. Carregador tamanho completo para instalação em garagem é necessário para recarregar carro elétrico durante a noite, mas carregador portátil (chamado carregador de conveniência) é equipamento padrão para o porta-malas para que baterias possam ser recarregadas em emergência ou longe de casa ou estação de recarga. Para segurança, carregador indutivo foi criado para carros elétricos com remo que é inserida na frente do carro. Usa energia magnética para recarregar baterias e limitar potencial para eletrocussão.

O Processo de Fabricação

O processo de fabricação requereu quase tanta consideração de design quanto o próprio veículo; e esse design inclui artesanato e simplificação bem como algumas abordagens de alta tecnologia. Montadores trabalham em equipes de estações de construção para fomentar espírito de equipe e apoio mútuo, e peças são armazenadas em unidades modulares chamadas racks creform de tubos plásticos flexíveis e juntas que são fáceis de preencher e remodelar para diferentes peças. No lado de alta tecnologia, cada estação é equipada com uma chave de torque com múltiplas cabeças; quando o montador trava na cabeça de tamanho apropriado, controles computadorizados da máquina selecionam o ajuste de torque correto para os fixadores que se encaixam naquela cabeça.

Funilaria

A carroceria do carro elétrico é artesanal em seis estações de trabalho.

• 1 Partes do space frame de alumínio são unidas em seções chamadas subconjuntos que são construídos de peças pré-fabricadas que são soldadas ou coladas. A cola é material de adesão adesivo, e fornece conexão mais durável e rígida que solda. Conforme subconjuntos para o chassi do carro são completados, são unidos uns aos outros até que todo o subchassi esteja finalizado.
• 2 Os subconjuntos para a parte superior da carroceria também são unidos para fazer seções maiores. As seções completadas são similarmente soldadas ou coladas até que a estrutura da carroceria esteja finalizada. A carroceria é adicionada ao subchassi. O adesivo usado durante toda a montagem em etapas da estrutura é então curado transportando a carroceria através de forno de dois estágios.
• 3 O teto é fixado. Como outras partes do exterior, já foi pintado. O subchassi e o resto da estrutura são revestidos com selantes protetores, e a carroceria finalizada é movida para a área de montagem geral.

Montagem Geral

Montagem geral dos componentes operacionais e interior do carro elétrico é completada em outras oito estações de trabalho.

1. Na primeira estação de montagem, o primeiro conjunto da eletrônica complexa do carro elétrico é colocado no lugar. Isso inclui fiação da carroceria e instalação da Baía de Eletrônica de Potência que contém o Módulo de Controle de Propulsão, unidade de tração integrada e pequeno radiador. A unidade de tração integrada consiste do motor de indução de corrente alternada e redutor de duas etapas e diferencial. Estas unidades são todas pré-montadas em seus O processo de fabricação usado para fazer um veículo elétrico é tão intrincado quanto o design do veículo. Leva seis estações de trabalho para criar a carroceria de um veículo elétrico. Cada estação é equipada com uma chave de torque com múltiplas cabeças; quando o montador trava na cabeça de tamanho apropriado, controles computadorizados da máquina selecionam o ajuste de torque correto para os fixadores que se encaixam naquela cabeça. próprias carcaças. Os componentes do console de controle também são instalados.
2. O interior é equipado. Piso, assentos, carpete, e console e painel são colocados no carro. O processo é simples porque o painel de instrumentos e cobertura do console são feitos de uretano reforçado com fibra de vidro moldado que foi revestido com mais uretano de qualidade de acabamento e com superfície não reflexiva. Estas duas peças são fortes e não precisam de outros suportes, suportes ou placas de montagem. Montagem é direta, e desempenho é superior porque menos peças reduzem possibilidades de ruídos e rangidos.
3. Na terceira estação de trabalho, o ar condicionado, aquecimento e sistema de circulação é inserido, e o sistema é preenchido.
4. O pacote de baterias é adicionado. A unidade em forma de T é assentada elevando o pacote pesado usando guincho especial para dentro do carro. O pacote é fixado ao chassi, assim como os eixos completos com rodas e pneus. Com ambas baterias e unidade de propulsão no lugar, o carro não precisa mais ser movido de estação para estação em bonecas especialmente desenhadas. Em vez disso, é dirigido às estações de trabalho restantes. O sistema é energizado e verificado antes de ser dirigido à próxima equipe.
5. O para-brisa é instalado e outros fluidos são adicionados e verificados. Os sistemas de portas (completos com interiores de vinil, apoios de braço, eletrônica e janelas) também são fixados, e todas as conexões são completadas e verificadas. Painéis exteriores são adicionados. Similar ao teto e portas, foram preparados e pintados antes de trazidos à estação de trabalho. O acabamento final é fixado para completar o exterior superior.
6. Na estação de trabalho final, o alinhamento é verificado e ajustado, e o painel inferior é aparafusado no lugar. O processo conclui com a última verificação abrangente de controle de qualidade. Água pressurizada é borrifada no veículo por oito minutos, e todas as vedações são verificadas para vazamentos. Em pista de teste especializada, o carro é verificado por ruídos, rangidos e vibrações em teste de direção baseado em qualidade. Inspeção visual longa e completa conclui a auditoria de qualidade.

Único ao veículo elétrico é o pacote de baterias. O pacote de baterias é composto de baterias recarregáveis de tipo secundário que atuam como células de armazenamento. Baterias são situadas em formação em T no meio do carro com o topo do "T" na traseira para melhor distribuição de peso e segurança.

Controle de Qualidade

A indústria provou que estações de trabalho são método altamente efetivo de fornecer controle de qualidade através de um processo de montagem. Cada estação de trabalho tem dois membros de equipe para apoiar uns aos outros e fornecer verificações internas em sua parte do processo. Em linha de montagem relativamente pequena como esta para o carro elétrico (75 montadores em uma fábrica da General Motors), os trabalhadores todos se conhecem, então há também um espírito de equipe maior que impulsiona orgulho e cooperação. Consequentemente, a única grande operação de controle de qualidade conclui o processo de montagem e consiste de um conjunto abrangente de testes e inspeções.

Único à fabricação do carro elétrico, a operação do carro foi testada durante as etapas finais de montagem. O carro não tem sistema de escape e não emite gases ou poluentes, então, após o pacote de baterias e unidade de propulsão terem sido instalados, o carro pode ser dirigido dentro da fábrica. Prova de que o produto funciona várias etapas antes de ser finalizado é uma verificação de qualidade tranquilizadora.

Subprodutos/Resíduos

Não há subprodutos da fabricação de carros elétricos. Resíduos dentro da fábrica de montagem também são mínimos a inexistentes porque peças, componentes e subconjuntos foram todos feitos em outro lugar. Aparas e outros resíduos são recuperados por estes fornecedores, e a maioria é reciclável.

O Futuro

Carros elétricos são criticamente importantes para o futuro da indústria automobilística e para o meio ambiente; no entanto, a forma que o carro elétrico tomará finalmente e sua aceitação pelo público ainda são incertas. Consumo de suprimentos de petróleo decrescentes, preocupações com poluição do ar e ruído, e poluição causada (e energia consumida) por carros abandonados e complicações de reciclagem de carros a gasolina são todas forças motrizes que parecem empurrar para o sucesso do carro elétrico.