A grande maioria das pessoas enxerga o carro elétrico meramente como um automóvel onde o motor a combustão de tração foi substituído por um elétrico — um conjunto que possui certas características diferenciadas, com vantagens e desvantagens conhecidas , mas sequer imagina o potencial salto tecnológico de dinâmica veicular que se avizinha.
Por mais estranho que possa parecer, muitas das tecnologias que podem abrir estes novos horizontes não são nenhuma novidade bombástica. A tração elétrica é amplamente utilizada em diversos outros setores industriais e de transporte pesado onde sistemas avançados de controle se fizeram necessários há mais de quatro décadas. O automóvel é apenas uma aplicação onde ela chegou de forma tardia, e que agora precisa traduzir e converter essas soluções já consolidadas para sobre quatro rodas.
Uma degustação
Para entender onde podemos chegar, vale a pena começar com uma demonstração provocativa no vídeo abaixo:
Este é o MARTY (Multiple Actuator Research Testbed for Yaw control), um protótipo desenvolvido pelo Dynamic Design Lab da Universidade de Stanford, sob a liderança do professor Chris Gerdes. Mas este não é um DeLorean DMC-12 qualquer.
Desenvolvido sobre a base de um DeLorean 1981, o MARTY nasceu como uma plataforma de pesquisa para estudar o controle automatizado do veículo nos limites — e além dos limites — da aderência. A proposta é particularmente interessante porque em vez de simplesmente evitar a perda de estabilidade, o sistema procura compreender como controlar o veículo justamente em condições nas quais ele já se encontra numa região instável.
A maioria dos sistemas modernos de auxílio ao motorista, como o controle eletrônico de estabilidade (ESC), atua de forma preventiva ou corretiva para evitar que o carro perca a aderência ou para recuperar sua trajetória depois de uma perturbação. O MARTY foi projetado para ir além: navegar de forma controlada mesmo quando o veículo já está além do limite de aderência, testando algoritmos capazes de manter o controle em situações extremas de emergência.
Para transformar o pacato DeLorean original, que saía de fábrica com um modesto V-6 de 130 cv, nessa plataforma de pesquisas a equipe desmembrou o carro por completo. No lugar do conjunto original, montou-se uma arquitetura totalmente elétrica:
O sistema utiliza dois motores elétricos no eixo traseiro, cada um controlando sua respectiva roda. Na configuração documentada pela equipe de Stanford, cada motor pode fornecer até 71,4 m·kgf de torque de pico, enquanto o conjunto de tração dispõe de aproximadamente 400 cv. As rodas são controladas eletronicamente, permitindo inclusive coordenar o escorregamento entre elas.
Na dianteira, a direção recebeu um sistema de atuação elétrica controlado por computador. O MARTY consegue esterçar de aproximadamente 38 graus para cada lado e percorrer todo esse intervalo em menos de um segundo, permitindo transições de drift extremamente rápidas.
Somam-se a isso um sistema de freios brake-by-wire capaz de controlar individualmente a pressão de frenagem em cada roda e um sistema de navegação baseado na fusão de GPS e sensores inerciais, utilizado para determinar a posição, a velocidade e a orientação do veículo.
O resultado é uma máquina na qual os atuadores podem alterar as forças aplicadas aos pneus em uma escala de tempo extremamente curta. Nos carros convencionais, acelerar ou frear envolve a dinâmica de diversos componentes mecânicos, hidráulicos e rotativos. No MARTY, o torque aplicado individualmente a cada roda pode ser comandado eletronicamente com grande velocidade e precisão.
Para controlar a traseira de lado, por exemplo, não é necessário recorrer exclusivamente ao acionamento dos freios ou a intervenções mecânicas sobre a transmissão: é possível aumentar o torque de uma roda e reduzir ou inverter o torque da outra, explorando diretamente a diferença de forças longitudinais entre elas para produzir um momento de guinada (mudança de direção).
O resultado final pode ser observado no vídeo a seguir, com a opinião de profissionais do drift:
A limitação dos carros convencionais
É aqui que compreendemos uma das limitações dos carros convencionais a combustão. Sua estabilidade depende essencialmente da capacidade de manter os pneus dentro de uma região adequada de aderência. No instante em que a borracha ultrapassa o pico de força disponível e começa a escorregar significativamente, o motorista comum perde progressivamente a capacidade de controlar o veículo.
Os sistemas eletrônicos de segurança mais modernos, como o ABS e os controles de estabilidade e tração, operam como guardiões que atuam em paralelo às ações de quem está ao volante. Caso alguma roda perca aderência ou o carro comece a sair da trajetória, esses sistemas podem assumir prioridade sobre determinados comandos, reduzindo o torque do motor e aplicando individualmente os freios para tentar trazer o veículo de volta à trajetória desejada.
O problema é que motores a combustão e sistemas de freio mecânico-hidráulicos apresentam características de controlabilidade muito menos favoráveis para esse tipo de ajuste fino. Eles não são dispositivos capazes de alterar sua saída de forma arbitrariamente rápida, progressiva e perfeitamente previsível.
Ajustar o torque de um motor térmico envolve uma combinação de abertura da borboleta, massa de ar admitida, injeção de combustível, avanço ou atraso da ignição, pressão de supercarregmento, rotação e diversos outros parâmetros. Ajustar a força de frenagem envolve a pressurização e o alívio de circuitos hidráulicos por meio de válvulas e atuadores.
Não por acaso, os primeiros sistemas de ABS nasceram para a aviação ainda na Segunda Guerra Mundial, e sua tecnologia hidráulica passou por décadas de evolução para aumentar a velocidade e a precisão do controle.
Mesmo sendo dispositivos altamente complexos e maduros, eles impõem limites que balizam a segurança dos veículos que dirigimos todos os dias.
O paradoxo do drift
É exatamente aí que o drift mostra sua verdadeira utilidade para a engenharia.
Trata-se de uma modalidade onde os pilotos exibem sua habilidade dosando potência, freio e esterço para manter o carro perfeitamente controlável justamente na condição de escorregamento contínuo — uma região em que os pneus já ultrapassaram seu pico de aderência e os sistemas convencionais de segurança normalmente tentam atuar para recuperar uma condição mais estável.
Manobrar um veículo totalmente de lado, passando a milímetros de barreiras e cones numa condição intencionalmente desestabilizada exige do piloto uma combinação extraordinária de percepção, reflexos, experiência e coordenação entre acelerador, embreagem, freio e volante.
O piloto de drift, na realidade, está fazendo manualmente aquilo que um sistema de controle avançado gostaria de fazer automaticamente: observar o estado dinâmico do veículo e aplicar continuamente pequenas correções nos seus atuadores para mantê-lo em uma região muito estreita de equilíbrio.
Por que motores a combustão têm menor controlabilidade?
Vamos pensar numa fogueira de São João.
A fogueira começa com o empilhamento da madeira. Isso leva um tempo. Com a madeira empilhada, colocamos uma pequena chama para iniciar a combustão. Essa chama irá se propagar pela madeira de acordo com as condições existentes e só terminará quando o combustível disponível se esgotar.
O motor a combustão funciona de forma aproximadamente semelhante a essa fogueira quando pensamos especificamente na geração de torque.
O sistema de alimentação prepara a mistura de ar e combustível para cada ciclo de funcionamento. Depois, em motores de ignição por centelha, esta inicia a combustão. A partir desse momento, a liberação de energia ocorre ao longo de um processo que não pode mais ser interrompido ou modulado continuamente da mesma maneira que podemos simplesmente aumentar ou diminuir a corrente de um motor elétrico.
Isso é importante.
Os problemas de controle nos motores a combustão começam, em parte, porque a geração de potência ocorre através de eventos cíclicos. Ar e combustível são admitidos durante uma determinada fase do ciclo. Depois, a ignição inicia a combustão, que se desenvolve durante a expansão dos gases. Em seguida vêm o restante da expansão e a exaustão dos gases queimados, completando o ciclo.
O torque produzido por um motor térmico pode, evidentemente, ser controlado de várias maneiras. A borboleta de aceleração, a quantidade de combustível, o instante da ignição, o comando de válvulas, a pressão de superalimentação e outros parâmetros podem ser utilizados pela eletrônica de controle.
Entretanto, cada um desses mecanismos possui sua própria dinâmica e suas próprias limitações.
O acelerador, por exemplo, depende da quantidade de ar que efetivamente entra no motor. Alterar a posição da borboleta não altera instantaneamente a massa de ar presente nos cilindros, especialmente quando há volumes significativos de ar entre a borboleta e as válvulas de admissão.
O atraso da ignição, por outro lado, pode reduzir rapidamente o torque produzido, mas sua atuação está associada aos eventos de combustão. A quantidade de combustível também pode ser alterada rapidamente, mas sua relação com o torque não é linear e depende fortemente das condições de funcionamento do motor.
Se um carro com motor de quatro cilindros está a 108 km/h (30 m/s) e o motor gira a 3.000 rpm, cada duas rotações correspondem a um ciclo completo de cada cilindro. Como existem quatro cilindros, temos quatro eventos de combustão a cada duas rotações, distribuídos ao longo do ciclo. Isso resulta em aproximadamente 0,01 segundo, ou 10 milissegundos, entre eventos de combustão sucessivos.
Dez milissegundos parece muito pouco — e realmente é —, mas não é esse intervalo isoladamente que determina a velocidade de resposta do sistema.
O problema está na soma de diversas limitações.
Em primeiro lugar, existe uma enorme não-linearidade e um alto grau de interferência de variáveis externas sobre a relação entre os comandos do motor e o torque efetivamente produzido. Quanto de torque o motor perde ao alterar determinada quantidade de combustível? Quanto se perde com seis graus de atraso na ignição? Qual é o efeito disso em diferentes rotações, cargas, temperaturas, pressões e condições atmosféricas?
Não há uma resposta simples, instantânea e universal.
Além disso, quando uma perda de aderência é detectada, o sistema precisa estimar o estado dinâmico do veículo, determinar qual torque seria adequado para recuperar a trajetória e então aplicar esse comando por meio de um atuador cuja própria resposta é limitada.
Assim, o problema não é apenas a velocidade do processador ou a frequência com que a central eletrônica calcula alguma variável. É a largura de banda de controle do conjunto inteiro: sensores, algoritmos, atuadores e, finalmente, o próprio pneu. Assim, a velocidade de resposta do sistema fica muito lenta.
O vídeo a seguir mostra como esse processo atua na prática:
O caso dos freios é bastante semelhante.
Em uma frenagem próxima do limite, o sistema precisa modular continuamente a pressão de frenagem para manter cada pneu próximo da região de maior capacidade de frenagem. Quando uma roda começa a se aproximar do travamento, o ABS reduz a pressão; quando a roda volta a acelerar, aumenta novamente a pressão.
É o famoso princípio de “prende e solta”.
É muito melhor do que permitir o travamento total das rodas, mas as limitações do sistema hidráulico e a própria dinâmica do pneu dificultam manter o freio exatamente no ponto ótimo de aderência em todas as condições.
O vídeo a seguir ilustra essa técnica:
Mas, e o motor elétrico?
A primeira observação sobre um carro elétrico com motor de corrente alternada não é a mais óbvia.
Diferente do que possa parecer, o motor não é exatamente o “coração” do sistema de tração. Esta função é compartilhada com o inversor.
O motor é o elemento eletromecânico que converte energia elétrica em energia mecânica — e, no caso da regeneração, faz o caminho inverso. O inversor é o dispositivo eletrônico que controla a energia elétrica entregue ao motor, determinando as correntes e tensões necessárias para produzir o torque desejado.
Em outras palavras, o motor não recebe simplesmente “energia elétrica”. Ele recebe uma alimentação cuidadosamente controlada pelo inversor.
A potência mecânica observada na roda é o produto do torque pela velocidade angular. Do lado elétrico, a potência depende das grandezas elétricas aplicadas ao motor e de sua relação de fase. O inversor é justamente o dispositivo que manipula essas grandezas para produzir o comportamento desejado.
E é aí que aparece uma diferença fundamental.
O torque de um motor elétrico está diretamente relacionado à corrente eletromagnética produzida no seu interior. Alterar essa corrente pode alterar o torque em uma escala de tempo extremamente curta, limitada principalmente pela dinâmica eletromagnética do motor e pela capacidade do inversor.
Uma perda de tração em aceleração, por exemplo, pode ser detectada por sensores de velocidade das rodas e outros parâmetros de estado. O controlador então reduz o torque solicitado e o inversor modifica rapidamente as correntes do motor.
Não é necessário esperar que uma borboleta se mova, que uma massa de ar seja alterada, que uma nova combustão aconteça ou que a pressão hidráulica de um circuito seja modificada.
Isso não significa que o motor elétrico seja instantâneo. Ele também possui limitações eletromagnéticas, térmicas e mecânicas. A diferença é que essas limitações são muito mais favoráveis ao controle de torque.
É importante também não confundir a frequência de chaveamento do inversor com a frequência efetiva de controle do veículo. Um inversor pode chavear seus semicondutores em frequências muito elevadas e, ao mesmo tempo, executar seus algoritmos de controle em outra taxa. Da mesma forma, o ABS moderno não é simplesmente um sistema que “funciona a 15 Hz”.
A comparação correta não é entre números isolados de frequência, mas entre a largura de banda e a velocidade de resposta dos diferentes sistemas de atuação.
E nesse aspecto a tração elétrica leva enorme vantagem.
Um sistema de controle de torque elétrico pode fazer correções extremamente rápidas e repetitivas, permitindo que o veículo opere muito mais próximo do limite de aderência dos pneus.
O exemplo do MARTY leva essa ideia ainda mais longe: mesmo quando o carro está sem aderência estática suficiente para permanecer em uma trajetória convencional, a lógica de controle pode explorar as forças disponíveis na região de escorregamento para manter o veículo sob comando.
A controlabilidade do motor elétrico
O motor elétrico é, basicamente, um transdutor eletromecânico de alta eficiência, capaz de converter energia elétrica em mecânica e vice-versa. O inversor, por sua vez, permite controlar essa transferência de energia com alta precisão e enorme velocidade de resposta.
Vemos esse nível de controle em diversas outras áreas da engenharia moderna.
Existem robôs industriais capazes de levantar cargas enormes com sensibilidade suficiente para executar movimentos extremamente delicados. Há robôs cirúrgicos capazes de realizar intervenções com grande precisão e estabilidade, traduzindo os movimentos do operador em ações extremamente pequenas e controladas.
O princípio é o mesmo: quando substituímos uma cadeia de atuadores mecânicos difíceis de controlar por atuadores eletrônicos de alta precisão, abrimos novas possibilidades para o sistema inteiro.
No automóvel, isso significa que o torque aplicado a cada roda deixa de ser apenas uma consequência do funcionamento do motor e passa a ser uma variável de controle.
E essa mudança é muito mais profunda do que parece.
Conclusão
Quando equipamos um automóvel com um ou mais motores elétricos de tração, o que obtemos é muito mais do que um simples substituto para o motor a combustão.
Começamos a dar ao veículo propriedades de controlabilidade dinâmica típicas da robótica e de máquinas altamente automatizadas.
O grande salto não está simplesmente no fato de o motor elétrico produzir torque rapidamente. Está na possibilidade de transformar o torque aplicado à roda em uma variável eletrônica, mensurável e controlável com enorme velocidade e precisão.
É por isso que o carro elétrico é fundamentalmente diferente do carro convencional.
Evidentemente, ele não é perfeito. Possui suas próprias limitações de peso, pneus, bateria, temperatura, potência e arquitetura. Mas suas características intrínsecas agregam novas tecnologias e novas possibilidades ao mercado e aos entusiastas.
Esta primeira parte serviu como uma introdução conceitual ao tema. Nas próximas partes, iremos explorar a complexidade da interação entre a roda e o piso — a física do escorregamento — e como isso interfere no controle fino de carros convencionais e elétricos.
AAD
