Arquitetura do Subsistema de Energia
Introdução
A cadeira de rodas motorizada é um equipamento que promove a liberdade e o bem estar para pessoas com a mobilidade reduzida. Neste sentido, este projeto buscar melhorar a qualidade de vida desses indivíduos por meio de um equipamento desenvolvido com atenção às necessidades dessa comunidade e de menor custo, favorecendo a inclusão. Dito isso, para que haja a integração entre os subsistemas envolvidos nesta iniciativa, é fulcral que o projeto de engenharia de energia elabore o planejamento levando em consideração todos os requisitos dos subgrupos que compõe a equipe.
Este artigo apresenta o desenvolvimento de um sistema de energia voltado para uma cadeira de rodas motorizada, abordando o consumo total dos componentes, dimensionamento do motor e da bateria, seleção de componentes, sistemas de recarga e a conformidade com normas técnicas. Neste cenário, o subsistema de energia para a cadeira de rodas é estruturado nas etapas de levantamentos de dados, de planejamento, de testes e execução. A partir disso, este documento é responsável por trazer o consumo total dos componentes, projetar o motor de corrente contínua a partir do torque, dimensionar o sistema de alimentação baseado na autonomia definida e executar conforme projetado. A abordagem proposta busca não apenas atender às demandas técnicas do projeto, mas também proporcionar uma solução prática e acessível para os usuários finais.
Objetivos
O subsistema de energia tem como objetivo geral projetar o conjunto de alimentação para o subsistema de eletrônica e para os motores elétricos. Deste modo, a energia necessária deve ser dimensionada levando em conta todos os principais componentes de potência. Neste sentido, os objetivos específicos do subsistema de energia são:
- Obter os dados de potência total de todos os componentes.
- Definir a autonomia.
- Projetar a fonte de energia necessária.
- Dimensionar condutores e outros materiais necessários para execução do subsistema de energia.
- Projetar o sistema de recarga.
- Esquematizar o fluxo de energia.
- Elaborar os diagramas das ligações elétricas.
Metodologia
A metodologia seguida pelo subsistema de energia está baseada em uma revisão bibliográfica e levantamento de normas relacionadas. Deste modo, buscou-se inicialmente as especificações técnicas de todos os componentes definidos pelo subsistema de eletrônica, como controladores, sensores e motores. Foi possível determinar a potência total do sistema da cadeira de rodas e também definir uma autonomia suficiente para a realização de testes e apresentações.
Adiante, com as informações obtidas, buscou-se as baterias mais comuns no mercado para este tipo de aplicação, tendo em vista a autonomia. Além disso, dimensionou-se os condutores a partir da corrente nominal em cada trecho do circuito levando em consideração a norma NBR 5410. E por fim, foi esquematizado o consumo do sistema, e elaborado o esquema de alimentação e ligações elétricas por meio do diagrama unifilar.
Motor de Corrente Contínua (DC)
Especificações Técnicas do Motor Escolhido
Neste projeto, serão utilizados dois motores de corrente contínua modelo MR 210 -PSVBUN-240-12V da marca Motron. Este motor é composto por um ímã permanente de dois polos, ou seja, é o motor DC mais simples. Além disso, possui um sistema de redução 1x23,5. As informações técnicas deste motor estão contidas na tabela abaixo:
| Parâmetro | Descrição |
|---|---|
| Tensão | 12 V |
| Corrente Nominal | 10,9 A |
| Corrente de Pico sem Carga | 59,7 A |
| Potência | 130,8 W |
| Rotação com Carga | 260 RPM |
| Torque Nominal | 24,2 kgfcm / 2,37 Nm |
| Fator de Serviço | S1 |
| Carga Radial | 6 Kg |
| Carga Axial | 2,5 Kg |
| Massa Total | 1,7 Kg |
Tabela 01: Especificações Técnicas MR 210-PSVBUN-240-12V. Fonte: [10].
Figura 01: MR 210 -PSVBUN-240-12V. Fonte: [10].
De acordo com as especificações do motor, este possui torque nominal de 2,37 N.m, e o valor de torque calculado na seção anterior com um fator de segurança foi de 2,31 N.m, deste modo, este motor é suficiente para a aplicação para a qual está sendo projetado.
Tendo em vista que o projeto da cadeira de rodas motorizada irá utilizar dois motores deste modelo e este o equipamento necessitará da maior carga da bateria, é necessário que esta forneça de forma constante uma corrente de 21,8A durante o período de funcionamento.
Análise de Consumo
Componentes Eletrônicos
Os componentes eletrônicos operam em uma tensão de 5Vdc e consomem uma corrente na ordem dos miliamperes. A corrente que irá circular pelo controle dever ser medida após a concepção do sistema eletônico, pois é uma variável que depende das condições de uso. Os valores da corrente dos sensores e do do joystick foram obtidos diretamente do fabricante, e representam a corrente máxima que os circulam. Neste cenário, são feitas as seguintes considerações:
- A bateria deve fornecer a corrente necessária para os circuitos e sensores de forma segura.
- A tensão dos sensores será fornecida por um regulador de tensão Step Down, que reduz a tensão da bateria de 12V para 5V.
Dados dos Componentes
Na tabela abaixo, estão dispostos os principais componentes que consomem energia e estarão presentes na cadeira de rodas. Visualiza-se a relação dos equipamentos e as respectivas informações técnicas fundamentais para o cálculo da energia necessária para alimentar o sistema:
| Componente | Quantidade | Tensão [Vcc] | Corrente [A] | Potência [W] |
|---|---|---|---|---|
| MR 210 – PSVBUN-240-12V | 2 | 12 | 10,9 | 261,6 |
| ESP-32 | 1 | 5 | 0,2 | 1,0 |
| Sensor Ultrassônico HC-SR04 | 3 | 5 | 0,015 | 0,225 |
| Sensor Infravermelho GP2Y0A41SK0F | 2 | 5 | 0,03 | 0,30 |
| Buzzer | 1 | 5 | 0,03 | 0,15 |
| Joystick Analógico KY-23 | 1 | 5 | 0,001 | 0,005 |
| ** Total** | - | - | 21,9 | 263,28 |
Tabela 02 Especificações Técnicas dos Componentes. Fonte: [10], [14].
Com as informações da tabela acima, é possível dimensionar o sistema de fornecimento de energia para a cadeira de rodas, tendo em vista o tempo de funcionamento de 1 hora. Logo, a energia consumida pela cadeira de rodas neste período mais um fator de segurança de 25% é dado por:
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Dimensionamento da Bateria
A bateria deve ser capaz de alimentar todos os sistemas embarcados na cadeira de rodas, fornecendo a corrente necessária para a operação de todos os componentes eletrônicos e dos dois motores. Neste sentido, a bateria deve fornecer corrente constante durante uma hora de uso, período determinado para os testes da cadeira. Para determinar a capacidade da bateria, utiliza-se a relação abaixo:
Onde a energia consumida foi calculada na seção anterior e adicionada a um fator de segurança de 25%. A tensão do sistema V equivale a 12V, tensão nominal dos motores dc:
Deste modo, a capacidade de 27,4Ah da bateria é suficiente para fornecer energia para o sistema com segurança durante 1 hora. No entanto, no mercado, a bateria mais próxima dessa capacidade são de 30Ah. Portanto, projeta-se a utilização de uma bateria de 12V com capacidade de 30Ah, que é capaz de disponibilizar até 360 Wh de energia.
Bateria Escolhida
A bateria selecionada para o projeto das cadeiras de rodas é o modelo 6-DZM-30 da marca Haizer. Essa é uma bateria de chumbo-ácido, que é aplicada em soluções de mobilidade, como bicicletas elétricas, scooters e cadeiras de rodas. Trata-se de uma bateria de ciclo profundo, ou seja, é capaz de fornecer corrente constante durante longos períodos, além disso, possui placas mais espessas e resistentes. As vantagens desta bateria estão nas dimensões, de modo que esta ocupa menos espaço na cadeira, e, no peso, que não compromete a mobilidade. Ademais, essa bateria dispõe da tecnologia VRLA, ou seja, possui uma válvula que controla a quantidade de gases no interior, além disso, o eletrólito imobilizado por camadas de microfibra permite seu funcionamento em qualquer posição.
| Modelo | Haizer 6-DZM-30 |
|---|---|
| Tensão | 12 V |
| Capacidade | 30 Ah |
| Composição | Eletrodos: Chumbo; Eletrólito: Ácido Sulfúrico |
| Tipo | VRLA-AGM |
| Peso | 7,3 kg |
| Dimensões (C x L x A) | 17,5 x 7,5 x 17,5 cm |
| Terminal | M5 |
Tabela 05: Especificações Técnicas da Bateria. Fonte: [7].
Figura 02: Bateria Haizer 6-DZM-30. Fonte: [7].
Devido a alta concentração de produtos químicos nocivos ao meio ambiente, a Resolução do Conama nº 401 de 04/11/2008 objetifica controlar e reduzir o impacto ambiental causado pela gestão irregular de resíduos de pilhas e baterias. Neste sentido, esta resolução institui a obrigatoriedade dos fabricantes de realizarem a destinação ambientalmente correta dos seus dispositivos, assim como conscientizar os consumidores da importância da disposição correta de bateriais e pilhas [3].
Sistema de Recarga
A recarga em baterias de chumbo-ácido deve ocorrer de maneira a preservar a vida útil e a integridade dos eletrodos. Geralmente o tempo de recarga para esse tipo de dispositivo varia de 12 a 16 horas, e é composto por um método de multiestágio para otimizar seu desempenho [13]. Os três estágios de recarga são: carga em corrente constante, carga em tensão constante e carga de flutuação. O primeiro estágio carrega 70% da bateria em cerca de 5 horas, o segundo, promove uma corrente de pico, que completa a carga da bateria lentamente, durante 5 horas. Já o terceiro e último estágio, assim que a bateria está completamente carregada, aplica um nível de tensão mais baixo protege a bateria contra a autodescarga.
Neste sentido, o processo ideal para a cadeira de rodas deve ser capaz de realizar a recarga dentro dos limites e especificação da bateria. Deste modo, o sistema de recarga é composto por uma fonte inteligente AC/DC que realiza o monitoramento do nível de carga da bateria, identifica e controla os estágios de carga.
Figura 03: Dispositivo de recarga da bateria chumbo-ácido. Fonte: [1].
| Parâmetro | Descrição |
|---|---|
| Alimentação AC | 110/220V |
| Tensão de Saída DC | 13,8V |
| Corrente de Saída DC | 2A |
| Potência | 30W |
| Comprimento do Cabo | 120 cm |
| Dimensões | 12,5 cm x 8 cm x 4 cm |
Tabela 07: Especificações Técnicas do Carregador Inteligente. Fonte [1].
Os terminais positivo e negativo da fonte inteligente são ligados aos respectivos terminais da bateria. Este dispositivo ficará fixado ao lado da bateria. Os cabos serão armazenados na cadeira e para recarregar o usuário deve puxar o cabo e conectar na rede elétrica.
O tempo de recarga da bateria é calculado considerando a capacidade da bateria e a capacidade da fonte:
Teste de Regarga da Bateria
Foi realizado o teste do equipamento de recarga da inteligente da bateria. O qual mostrou que o carregador promoveu a recarga eficiente da bateria até sua tensão de operação de cerca de 12.5V:
Cabos
De acordo com a norma de Instalações Elétricas de Baixa Tensão (NBR-5410), a seção desses condutores devem atender a seis critérios mínimos: - Seção mínima; - Capacidade de condução de corrente; - Queda de tensão; - Curto-circuito; - Sobrecarga e; - Proteção contra choques elétricos.
Levando em consideração o dimensionamento pela capacidade de condução de corrente para um cabo unipolar (composto por um único condutor e isolamento), a seção deve ser determinada pelo maior valor de corrente. Considerando o esquema de ligação, a bateria irá alimentar um barramento, deste irão derivar as conexões para os motores e para os demais circuitos eletrônicos.
De acordo com a norma, o método de instalação "F" refere-se a condutores unipolares justapostos ao ar livre, espaçados entre si no mínimo uma vez o diâmetro do cabo, e por meio desta referência dimensiona-se a seção dos cabos utilizados nesse projeto.
Figura 04: Tabela 38 da NBR-5410 (Capacidades de condução de corrente, em ampères, para os métodos de referência E, F e G). Fonte: [2].
Em conformidade com a norma, a seção do condutor entre o barramento DC e o motor, que irá conduzir uma corrente de 10,9A, deve ser no mínimo 0,75 mm², no entanto, considerando um fator de segurança, opta-se pela seção de 1 mm² para essa parte do circuito. Já o condutor que liga a bateria ao barramento deve ter seção de 2,5 mm², visto que irá conduzir uma corrente mínima de 21,8A. Além disso, o barramento que irá distribuir a tensão para os circuitos será composto por um cabo de 2,5 mm².
Os demais cabos utilizados nos circuitos eletrônicos possuem seção 0,10 mm², visto que a corrente que circula nos dispositivos eletrônicos é da ordem de miliamperes.
Diagramas
Diagrama de Consumo
O diagrama abaixo mostra como a potência está distribuída no projeto da cadeira de rodas. Visualiza-se que os motores são os componentes com a maior demanda, cerca de 99% da energia do sistema.
Figura 05: Diagrama detalhando o consumo de cada componente. Fonte: Os autores, 2024.
Diagrama de Alimentação
O diagrama abaixo exemplifica o esquema básico de ligação entre a bateria, os motores e o sistema de controle. A bateria alimenta um barramento dentro do quadro de comando, onde estarão localizados os principais circuitos eletrônicos e dispositivos de proteção (push button, botão liga-desliga, fusíveis, etc). A partir do barramento de 12V, os circuitos de maior potência iniciam-se no driver Ponte H, módulo responsável pelo controle dos motores como velocidade e sentido de rotação. O outro circuito que deriva do barramento de 12V, alimenta um regulador de tensão Step Down, que transforma a tensão da bateria de 12V em 5V, e daí, alimenta os circuitos eletrônicos de controle da cadeira de rodas, como a placa controladora, o joystick e os sensores. E por fim, o último circuito que deriva deste barramento, é o módulo voltímetro que realiza o moinitoramento da carga da bateria.
Figura 06: Diagrama detalhando a alimentação do sistema da cadeira de rodas. Fonte: Os autores, 2024.
Diagrama Unifilar
O diagrama unifilar é a representação gráfica de uma instalação elétrica em projetos de engenharia. No caso da cadeira de rodas motorizada, o diagrama unifilar abaixo detalha o esquema de ligação da fonte de energia (bateria) para os componentes eletrônicos e motores:
Figura 07: Diagrama Unifilar de Alimentação. Fonte: Os autores, 2024.
O diagrama acima detalha as seções dos condutores nos circuitos da cadeira de rodas, assim como o esquema de ligação elétrica dos principais componentes que devem ser energizados. O diagrama também mostra um dispositivo de seccionamento (push-button e chave liga desliga) e um proteção, fusível de 2,5A que protege os circuito eletrônicos de altas correntes que circulam devido aos motores elétricos.
Sumário dos Materiais de Energia
A tabela abaixo descreve todos os materiais de energia escolhidos para o susbsistema de energia para a execução da cadeira de rodas motorizada:
| Material | Descrição | Quantidade |
|---|---|---|
| Bateria | Bateria 12V 30Ah Haizer 6-DZM-30 | 1 |
| Carregador AC/DC | Fonte Inteligente 13,8V 2A | 1 |
| Sensor de Tensão | Módulo Voltímetro Sensor de Tensão DC 0-25V | 1 |
| Cabo Preto | 1,5 mm^2 | 2 metros |
| Cabo Vermelho | 1,5 mm^2 | 2 metros |
| Cabo Preto | 2,5 mm^2 | 1 metro |
| Cabo Vermelho | 2,5 mm^2 | 1 metro |
| Terminal Forquilha, olhal e luvas de emendas | 1,5 e 2,5 mm^2 | 1 pacote |
| Botão liga-desliga | Chave seccionadora | 1 |
| Motor | MR 210 – PSVBUN-240-12V | 2 |
Tabela 08: Sumário dos Materiais do Subsistema de Energia.
Além dos materiais descritos, serão utilizados um botão liga-desliga para acionamento geral do sistema da cadeira de roda. O botão de emergência, que interrompe o funcionamento da cadeira em caso de emergência, seccionará apenas o circuito de alimentação para o módulo controlador dos motores, que interromperá o movimento da cadeira, mantendo em funcionamento a eletrônica embarcada.
Conclusão
O desenvolvimento do subsistema de energia para a cadeira de rodas motorizada foi guiado por critérios que visaram a segurança, eficiência e adequação ao propósito do projeto. Desde a escolha dos componentes eletrônicos até o dimensionamento da bateria e dos cabos, todas as etapas consideraram as normas vigentes e referências na engenharia. A arquitetura de energia garante que o consumo energético dos motores e circuitos eletrônicos foram devidamente atendidos pela bateria selecionada.
A escolha da bateria Haizer 6-DZM-30 se destacou como a melhor opção devido ao seu equilíbrio entre custo, peso, dimensões e capacidade de corrente, permitindo o funcionamento seguro por até uma hora. O sistema de recarga foi dimensionado para fornecer a energia necessária de forma prática, alinhando-se às necessidades dos usuários e os requisitos de recarga para uma bateria chumbo-ácido. Além disso, a atenção aos materiais e diagramas de instalação assegurou a viabilidade técnica e a facilidade de execução.
2. Referências Bibliográficas
[1] AILOS. Carregador bateria carga lenta carro, moto, SUV, sistema solar fotovoltaico – Gaspar. Disponível em: https://ailosaproxima.coop.br/loja/f4u/produto/carregador-2ah/carregador-bateria-carga-lenta-carro-moto-suv-sistema-solar-fotovoltaico-gaspar. Acesso em: 26 nov. 2024.
[2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão. Rio de Janeiro, 2004. Disponível em: https://docente.ifrn.edu.br/jeangaldino/disciplinas/2015.1/instalacoes-eletricas/nbr-5410. Acesso em: 15 nov. 2024.
[3] BRASIL. Resolução CONAMA nº 401, de 4 de novembro de 2008. Dispõe sobre o controle e a redução da poluição proveniente de fontes fixas e móveis, no âmbito do Sistema Nacional do Meio Ambiente. Diário Oficial da União, Brasília, DF, 5 nov. 2008. Seção 1, p. 120.
[4] CARNEIRO, R. L.; MOLINA, J. H. A.; ANTONIASSI, B.; MAGDALENA, A. G.; PINTO, E. M. Aspectos essenciais das Baterias Chumbo-Ácido e Princípios Físico-Químicos e Termodinâmicos do seu Funcionamento. Revista Virtual de Química, v. 9, n. 3, p. 889-911, 2017. Disponível em: http://rvq.sbq.org.br. Acesso em: 12 nov. 2024.
[5] CHAPMAN, Stephen J. Fundamentos de máquinas elétricas. 5th ed. Porto Alegre: AMGH, 2013. E-book. p.1. ISBN 9788580552072. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/reader/books/9788580552072/. Acesso em: 15 nov. 2024.
[6] CUNHA, Thiago Henrique J. R. da; SILVA, Antônio Manoel Batista da. Baterias estacionárias e tracionárias aplicadas em sistemas off-grid e híbridos. Universidade de Uberaba, 2020. Disponível em: https://dspace.uniube.br:8443/bitstream/123456789/1440/1/download%20%282%29.pdf. Acesso em: 18 nov. 2024.
[7] HAZIER. Bateria de chumbo-ácido 12V 30Ah HZB6-DZF-30. Disponível em: https://www.biobike.com.br/pecas-componentes/bateria-de-chumbo-acido-12v-30ah-hzb6-dzf-30-haizer. Acesso em: 19 nov. 2024.
[8] MORELATO FRANCA, A. L. Motores elétricos de corrente contínua e universal. 2001.
[9] MORASKI, Mateus Eichkoff; RADÜNS, Caroline Daiane; DENARDI, Caroline Commandeur; PEREIRA, Ubiratan De Oliveira; JABLONSKI, Rodrigo Schettert; MATTE, Isabel Cristina. A obrigatoriedade do diagrama unifilar / The requirement of the unifilar diagram. In: SALÃO DO CONHECIMENTO, 2018, Ijuí. Anais Ijuí: UNIJUÍ, 2018.
[10] MOTRON. MR 210-PSVBUN. Disponível em: http://www.motron.com.br/produtos/210/mr210-psvbun.php. Acesso em: 15 nov. 2024.
[11] NOLL, Valdir. Motores elétricos. Curso Pós-Técnico em Automação Industrial.
[12] STA ELETRÔNICA. Baterias de lítio ou de chumbo-ácido?. Disponível em: https://www.sta-eletronica.com.br/artigos/baterias-recarregaveis/baterias-de-litio/baterias-de-litio-ou-de-chumbo-acido. Acesso em: 19 nov. 2024.
[13] STA ELETRÔNICA. Como carregar uma bateria selada de chumbo-ácido. Disponível em: https://www.sta-eletronica.com.br/artigos/baterias-recarregaveis/baterias-de-chumbo/como-carregar-uma-bateria-selada-de-chumbo-acido. Acesso em: 26 nov. 2024.
[14] ELETROGATE. Disponível em: https://www.eletrogate.com/. Acesso em: 27 nov. 2024.
[15] POSTO DAS BATERIAS. Bateria Tudor 30Ah TFS30UTD - Livre de Manutenção. Disponível em: https://www.postodasbaterias.com.br/industrial/tracionaria/rocadeira/bateria-tudor-30ah-tfs30utd-livre-de-manutenc-o.html. Acesso em: 1 dez. 2024.
[16] SUPER FISIO. Bateria Selada 12V 33Ah. Disponível em: https://superfisio.com.br/product/bateria-selada-12v-33ah/. Acesso em: 1 dez. 2024.
[17] FARMA BEM. Bateria EVC12-27 Selada para Cadeira de Rodas Motorizada Global 12V 27Ah. Disponível em: https://www.farmabemfarmacia.com.br/produto/bateria-evc12-27-selada-para-cadeira-de-rodas-motorizada-global-12v-27ah/5338459. Acesso em: 1 dez. 2024.
[18] ESSÊNCIA BRASILEIRA. Pioneiro Bateria Bike 12V 15Ah Gel AGM para Bike Elétrica e Patinete. Disponível em: https://www.essenciabrasileira.com.br/produto/pioneiro-bateria-bike-12v-15ah-gel-agm-para-bike-eletrica-patinete/. Acesso em: 1 dez. 2024.
Tabela de Versionamento
| Versão | Data | Descrição | Responsável |
|---|---|---|---|
| 1.0 | 19/11/2024 | Criação Arq. Energia | Rafael Côrtes Brandão |
| 1.1 | 25/11/2024 | Adiciona Diagramas e Modificações Estruturais | Rafael Côrtes Brandão |
| 1.2 | 26/11/2024 | Atualiza Referencias e Sistema de Recarga | Rafael Côrtes Brandão |
| 2.0 | 26/11/2024 | Reorganiza a estrutura - Divisão Arquitetura e Subsistema | Rafael Côrtes Brandão |
| 2.1 | 19/01/2025 | Adciona Teste de Recarga, Corrige formatação e Atualiza Materiais | Rafael Côrtes Brandão |