Subsistema de Energia

1. Introdução

A crescente busca por soluções que promovam a inclusão social e a autonomia de pessoas com mobilidade reduzida tem impulsionado o desenvolvimento de dispositivos como cadeiras de rodas motorizadas. Esses equipamentos desempenham um papel essencial na melhoria da qualidade de vida, permitindo maior liberdade de movimento e independência para seus usuários. Para que esses dispositivos operem de forma eficiente, é fundamental um planejamento minucioso dos sistemas de alimentação de energia, considerando tanto a funcionalidade quanto a segurança. O subsistema de energia, peça chave nesse contexto, precisa atender aos requisitos de consumo energético dos motores e circuitos eletrônicos, além de assegurar um desempenho confiável.

2. Objetivos

O objetivo geral do subsistema de energia para a cadeira de rodas motorizada é dimensionar o sistema de alimentação necessário para atender as necessidades do subsistema de eletrônica, como controladores e sensores, assim como fornecer a energia necessária para o descolamento do usuário por meio dos motores. Neste sentido, o projeto de energia engloba diferentes processos de transformação de energia: energia química das reações que geram eletricidade para os componentes eletrônicos e também é transformada em energia cinética. Os objetivos específicos para o subsistema de energia são apresentados a partir dos requisistos desta área como:

• A bateria deve ser capaz de fornecer corrente necessária para os motores e o sistema eletrônico.

• O sistema de energia deve ser leve e pequeno para não comprometer a portabilidade da cadeira de rodas.

• O sistema deve possuir monitoramento da carga da bateria.

• O sistema deve ser seguro para o usuário.

3. Metodologia

O desenvolvimento do subsistema de energia para a cadeira de rodas motorizada foi estruturado em quatro etapas principais: levantamento de dados, projeto, testes e execução. Inicialmente, realizou-se a análise das necessidades energéticas dos componentes eletrônicos e motores, com base nos requisitos fornecidos pela equipe de engenharia. A partir disso, foram realizados cálculos para dimensionar o sistema de alimentação, incluindo o torque necessário para os motores e a capacidade da bateria.

Posteriormente, foi realizado um estudo comparativo entre diferentes tipos de baterias, considerando critérios como densidade de energia, peso, etc. A escolha da bateria foi seguida pelo desenvolvimento de um sistema de recarga inteligente específico para o tipo de bateria escolhida. Todo o processo foi guiado pelas diretrizes da norma NBR 5410, garantindo conformidade com os padrões de segurança elétrica.

4. Desenvolvimento

4.1. Análise de Consumo

Foi realizado o levantamento das especificações técnicas dos componentes eletrônicos da cadeira de rodas, como tensão, corrente e potência, para dimensionar o sistema de alimentação. A corrente total foi calculada somando as correntes máximas dos dispositivos, enquanto a potência foi obtida a partir da tensão e corrente de cada componente. Um regulador de tensão step-down será utilizado para converter a tensão da bateria de 12V para 5V, atendendo aos sensores e outros dispositivos. Além disso, foi projetado o consumo energético para uma hora de funcionamento, incluindo um fator de segurança de 25%, garantindo que a bateria seja capaz de suprir as demandas do sistema de forma segura e eficiente.

4.2. Motor de Corrente Contínua

O motor elétrico é uma máquina capaz de transformar a energia elétrica em energia mecânica. O motor DC é composto basicamente de um estator, um rotor e um comutador, de acordo com a figura abaixo:

Figura 01: Esquema de um motor DC de dois polos. Fonte: [8].

O estator contém o enrolamento de campo, que podem ser bobinas, ou, em motores mais simples, ímãs permanentes. O rotor contém o enrolamento de armadura e recebe a tensão contínua por meio do comutador, que é composto por escovas de grafite. O funcionamento do motor elétrico DC se baseia no princípio do eletromagnetismo que diz que ao circular corrente elétrica em um condutor submerso em um campo magnético, este está sujeito a uma força mecânica de origem eletromagnética [8]. Neste cenário, para manter o funcionmaneto do motor, o sentido da corrente das espiras que estão no rotor deve mudar a cada 180º.

Neste projeto, dois motores de corrente contínua serão utilizados para movimentar a cadeira, que serão definidos a partir do cálculo do torque necessário para acelerar uma determinada massa (peso da cadeira, componentes e usuário) a uma velocidade em um período de tempo, considerando o raio da roda.

4.3. Bateria

A bateria é um dispositivo capaz de converter a energia química em energia elétrica por meio de reações espontâneas. Uma pilha é formada por um terminal positivo (cátodo)e um negativo (ânodo), que são separados por um eletrólito. Já uma bateria, é constituída de uma sequência de pilhas ligadas em série e em paralelo de modo a produzir a tensão e a corrente necessárias para cada aplicação [4].

4.3.1. Comparativo Entre Tipos de Baterias

A tabela abaixo explora o comparativo entre baterias de chumbo-ácido e de lítio-ferro:

Fator	Chumbo-ácido	Lítio-ferro
Maior vida útil		X
Menor peso		X
Menor preço	X
Maior impacto ambiental	X
Robustez	X
Maior capacidade de corrente	X
Maior capacidade de carga		X
Maior densidade de energia		X
Maior tolerância a sobrecarga	X
Menor tempo de recarga		X

Tabela 03: Comparativo entre baterias chumbo-ácido e lítio-ferro. Fonte: [12].

Ambas as baterias possuem vantagens interessantes para a aplicação na mobilidade elétrica, no entanto, visando um sistema robusto, de baixo custo e com maior capacidade de corrente. Por estes motivos, opta-se por explorar as baterias de chumbo-ácido para o subsistema de energia.

Essas Baterias são frequentemente usadas como fontes de energia para veículos elétricos, visto que podem operar em condições mais severas, onde a potência instantânea é alta e o ciclo de vida é longo.

4.3.2. Bateria de Chumbo-ácido

A bateria do tipo chumbo-ácido é composta por eletrodos de peróxido de chumbo (ânodo) e amálgama de chumbo esponjoso (cátodo), e o eletrólito de uma solução de ácido sulfúrico [4]. As reações de oxidação e redução que ocorrem neste tipo de bateria são descritas a seguir:

Figura 02: Esquema de descarga de uma bateria de chumbo-ácido. Fonte: [4].

4.3.3. Tipos de Bateria de Chumbo-Ácido

As baterias de chumbo-ácido são classificadas em sua construção física e tipo de aplicação, sendo que as mais comuns são:

• Baterias Estacionárias: São baterias para aplicações no break, iluminação de emergência, alarmes, sistemas off-grid ou híbrido, etc. Em grande parte do tempo, operam carregadas e quando a energia da rede é interrompida, essas baterias devem sustentar a carga a qual estão conectadas. São projetadas com estruturas mais espessas para resistir a corrosão e armazenar grandes quantidades de carga. Essas características conferem a bateria estacionária uma longa vida útil, no entanto, muito pesadas [4].

• Baterias VRLA: Baterias reguladas por válvula, caso a quantidade de gases no interior da bateria exceda um limite, esses gases são eliminados por meio de uma válvula. São classificadas em dois tipos que dependem do arranjo do eletrólito, que é imobilidazado: Gel e AGM (Absorved Glass Mot). A primeira possui um eletrólito em gel, é resistente para aplicações com vibração e altas temperaturas, no entanto, requer recarga lenta. Já a segunda, o eletrólito é separado por microfibras, que conferem resistência ao congelamento e altas taxas de eficiência de conversão [4].

• Baterias Tracionárias:

São baterias mais robustas, conseguem fornecer grande quantidade de carga para equipamentos de tração, como motores elétricos. Possuem grande durabilidade e resistência mecânica, características essenciais aplicações móveis [6]. Além disso, esse tipo de bateria opera em ciclos de descarga profunda e recargas em curtos períodos [4]. Por esses motivos, esse tipo de bateria tem aplicações na mobilidade elétrica.

• Bateriais de Arranque:

São dispositivos presentes no veículos a combustão, são responsáveis por iniciar a partida nesses motores e suprir a demanda de energia elétrica para os equipamentos do veículo. São classificadas em ventiladas e seladas. Sendo que esta última não permite o acesso ao eletrólito, apresentar maior sobrepotencial e menor perda de água [4].

Comparativo entre Bateriais

A tabela abaixo aponta um comparativo entre diferentes baterias de chumbo-ácido disponíveis no mercado, com as especificações técnicas de cada uma:

Modelo	Tensão [V]	Capacidade [Ah]	Peso [kg]	Dimensões [cm]	Tipo
Tudor TFS30UTD	12	30	9,1	19,6 x 12,8 x 18,7	Selada
Long U1-36NE	12	33	10,7	19,6 x 13 x 15,8	Selada
Global EVC12-27	12	27	-	18 x 7,7 17	Selada
Pioneiro T12-15F2	12	2 x 15	2 x 4,3	15 x 10 x 10	VRLA
Haizer 6-DZM-30	12	30	7,3	17,5 x 7,5 x 17,5	VRLA-AGM

Tabela 04: Comparativo de baterias do mercado. Fonte: [7], [15], [16], [17], [18].

Considerou-se a aquisição de duas baterias de 15Ah, que ligadas em paralelo fornecem a corrente necessária para a cadeira, no entanto, o peso e as dimensões de duas baterias inviabiliza sua aplicação neste projeto. As baterias Long e Global possuem capacidade de corrente fora dos parâmetros estipulados anteriormente, o que contraria a faixa de segurança de 25%. Neste cenário, a bateria que apresentou o melhor custo benefício nos parâmetros de capacidade, peso, dimensão e preço foi o modelo Haizer 6-DZM-30.

4.4. Sistema de Recarga

O monitoramento da carga da bateria será realizado por um medidor que se comunicará com o controlador, e este, enviará notificações para usuário quando a bateria estiver descarregada. Experimentos laboratoriais mostraram que a tensão final da bateria descarregada pode ser dado por 1,75V/elemento e uma bateria de 12V é geralmente compostoa por 6 elementos de 2V [6]. Neste sentido, para a bateria selecionada neste projeto, será considerada descarregada quando seu nível de tensão chegar em 10,5V.

A recarga de baterias de chumbo-ácido deve ser realizada de forma a preservar a vida útil e a integridade dos eletrodos. Normalmente, o tempo de recarga desse tipo de bateria varia entre 12 e 16 horas, utilizando um método de múltiplos estágios para otimizar seu desempenho [13]. Nesse contexto, o carregador ideal para a cadeira de rodas deve ser capaz de realizar uma recarga inteligente, ajustando-se às características específicas da bateria.

4.5. NBR 5410

A NBR 5410, da ABNT, é a norma que regula as instalações elétricas de baixa tensão no Brasil. Ela estabelece critérios para o projeto, execução, manutenção e inspeção de sistemas elétricos com tensões até 1000 V em corrente alternada (CA) ou 1500 V em corrente contínua (CC). Seu principal objetivo é garantir a segurança de pessoas, animais e bens, além de assegurar a funcionalidade e eficiência das instalações. A norma aborda temas como proteção contra choques elétricos, dimensionamento de condutores, proteção contra sobrecargas e curto-circuitos, e requisitos para instalações em áreas específicas, como locais úmidos ou com risco de explosão.

5. Conclusão

O desenvolvimento do subsistema de energia para a cadeira de rodas motorizada resultou em uma solução eficiente e adequada às necessidades de mobilidade elétrica. A escolha estratégica pela bateria de chumbo-ácido, considerando critérios de robustez, custo e capacidade de corrente, foi fundamental para equilibrar desempenho e viabilidade econômica. O sistema de recarga inteligente, aliado à conformidade com as normas brasileiras, reforça a garantia e a confiabilidade do projeto, presenvando o monitoramento, a proteção da bateria e a segurança do usuário. Dessa forma, o subsistema projetado não apenas atende às demandas técnicas, mas também contribui para a acessibilidade e autonomia dos usuários, alinhando-se ao objetivo maior de promover inclusão e qualidade de vida.

6. 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.

Tabela de Versionamento

Versão	Data	Descrição	Responsável
1.0	30/11/2024	Criação do Documento	Rafael Côrtes Brandão
2.0	19/01/2025	Atualiza Informações	Rafael Côrtes Brandão