Os dados de entrada na simulação do modelo do ônibus da EMTU foram definidos a partir das especificações levantadas no item 5.2.
As hipóteses assumidas para cada componente serão apresentadas nos itens seguintes.
5.3.1 Bateria
A bateria foi a principal limitação do Advisor para a execução da simulação do ônibus da EMTU. Isso se deve ao fato da impossibilidade de definição direta de certos parâmetros, como potência e voltagem nominal. Tais parâmetros são definidos de forma indireta, a partir de outras entradas.
Especialmente para as baterias de Lítio, que é o caso do ônibus da EMTU, há apenas uma opção. Sendo assim, a alternativa encontrada foi o aumento da escala da capacidade da bateira, de forma a alcançarmos a potência de 105 kW especificada pela EMTU para o banco de baterias. A Figura 5-2 mostra a potência do banco de 46 módulos de bateria de acordo com o nível de carga (SOC) e temperatura. Pode-se perceber que para temperaturas de operação acima de 25º C e nível de carga de operação (0,4 a 0,8 SOC) a potência converge para cerca de 105 kW.
Figura 5-2. Potência do banco de baterias de 46 módulos, de acordo com o nível de carga e temperatura.
5.3.2 Célula a combustível
A potência considerada para a célula a combustível foi definida diretamente no Advisor, de acordo com a especificação do ônibus: 150 kW. As células de combustível podem operar com maior eficiência do que os motores de combustão e podem converter a energia química do combustível em energia elétrica com eficiência de até 60% (OFFICE OF ENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY, 2019). Sendo assim, a eficiência assumida foi de 60%.
5.3.3 Peso
No levantamento das especificações, foi visto que o peso do ônibus sem carga vale 14100 kg e que sua capacidade é de 75 passageiros no total. Considerando o peso médio de um brasileiro como cerca de 70 kg (IBGE, 2008) e uma capacidade intermediária de 40 passageiros para efeitos de simulação, a carga total considerada na simulação foi de 16900 kg.
5.3.4 Estratégias de Controle
Foram consideradas duas estratégias de controle para as simulações, além do SOC máximo e mínimo no Advisor.
A primeira refere-se ao modo de operação da bateria. Conforme explicado no item 2.5, há dois modos de operação da bateria: descarga da bateria (charge depleting) e sustentação da bateria (charge sustaining). A bateria de um FCHEV deve operar no modo sustentação da bateria - charge
sustaining (AHLUWALIA, WANG e ROUSSEAU). Nesse modo, o estado de carga (SOC) da
bateria é mantido suficientemente acima do estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) para que a bateria sempre seja capaz de fornecer autonomamente carga às demandas de potência. Sendo assim, essa estratégia é adequada para os FCHEVs uma vez que, conforme explicado no item 3.3, células a combustível não são capazes de responder rapidamente à transitórios de potências.
A segunda estratégia de controle diz respeito a operação da célula a combustível. Como apresentado no item 3.3, as células a combustível apresentam maior eficiência de operação em potências intermediárias (FEROLDI, SERRA e RIERA, 2009). Sendo assim, quando o veículo opera na faixa de baixa potência, o motor elétrico deve ser acionado pela bateria, de forma a obter um melhor rendimento. Ao analisar a célula a combustível no Advisor, foi observado que a célula apresenta baixa eficiência de operação para potências abaixo de 30 kW. A Figura 5-3 mostra a curva de eficiência da célula a combustível do modelo obtida pelo Advisor.
Figura 5-3. Curva de eficiência da célula a combustível do modelo.
A Figura 5-4 apresenta o gráfico do consumo de combustível da célula a combustível do modelo conforme a potência de operação. Nota-se o aumento do consumo específico de combustível fornecido ao motor elétrico para baixas potências de operação.
Figura 5-4. Consumo de combustível em função da Potência de operação célula a combustível.
Dessa forma, devido à maior eficiência e consequente menor consumo de combustível, foi definida uma potência mínima requerida para que a célula a combustível do modelo seja acionada: 30 kW. Dessa forma, para potências requeridas pelo motor elétrico abaixo de 30 kW, a energia deverá ser fornecida exclusivamente pela bateria, reduzindo o consumo geral de hidrogênio. A Tabela 5-2 apresenta os valores referentes aos parâmetros de entrada do Advisor.
Tabela 5-2. Entradas da simulação do ônibus da EMTU no Advisor
Códigos do Advisor Especificação Valor
Veículo
veh_CD Coeficiente de arrasto 0,79
veh_glider_mass Peso da carroceria 12636 kg
veh_cg_height Altura do centro de gravidade do veículo 0,77 m veh_front_wt_frac Fração de peso no eixo de tração 0,45
veh_wheelbase Distância entre eixos 6,3 m
- Peso do veículo sem carga/Tara 13987 kg
veh_cargo_mass Peso da carga 2913 kg
veh_mass Peso do veículo com carga 16900 kg
Tração Dianteira
Célula a combustível
- Tipo Eletrólito de
polímero sólido
fc_max_pwr Potência máxima 150 kW
- Potência específica 0,37
kW/kg - Peso do empilhamento de células a
combustível 700 kg
- Peso dos tanques de hidrogênio (4) 217 kg - Capacidade dos tanques de hidrogênio
(4)
30,9 kg de H2
fc_mass Massa do sistema da célula a
combustível 223 kg
Bateria - Tipo Lítio
ess_module_num Número de módulos de bateria 46 ess_module_mass Peso do módulo de bateria 14,9 kg Motor elétrico - Potência 165 kW - Eficiência do motor 0,9 Parâmetros de Controle
cs_lo_soc SOC mínimo 0,4
cs_hi_soc SOC máximo 0,8
A Figura 5-5 mostra a tela de interface do Advisor para as entradas do ônibus. Percebe-se que certos parâmetros, como a potência e a eficiência do motor elétrico, devem ser configurados diretamente nos campos da tela de interface.
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Figura 5-5. Interface do Advisor para as entradas do veículo.
O Advisor possibilita também a definição das condições iniciais de operação, como a temperatura. A temperatura definida como padrão pelo software é de 20ºC, porém para melhor representação do clima no Brasil, foram consideradas as condições iniciais de temperatura de 25ºC. O estado de carga inicial da bateria foi considerado no nível de 80%. A Tabela 5-3 resume os inputs.
36 Tabela 5-3: Condições iniciais de operação.
Código do Advisor Condições de entrada Valor
Ambiental amb_tmp Temperatura Ambiente (°C) 25
air_cp Calor específico do ar (J/kg/K) 1009
Célula de combustível
fc_c_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível (°C) 25 fc_i_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Interna (°C) 25 fc_x_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Externa (°C) 25
fc_h_init_tmp Temperatura da Carcaça (°C) 25
Bateria ess_mod_init_tmp Temperatura do Módulo da Bateria (°C) 25
Controle mc_init_tmp Temperatura do controlador (°C) 25 ess_init_soc Estado de carga inicial da bateria 80%
A Figura 5-6 apresenta a interface do Advisor que permite ao usuário a alteração das condições de operação.
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5.4 Ciclo de Condução
O ciclo de condução escolhido no Advisor foi o CYC_UKBUS_MAS_VAR1, já que este foi considerado o ciclo mais adequado para representar o percurso de um ônibus urbano: alto número e frequência de paradas, velocidade média e máxima baixas e baixa variação da elevação ao longo do ciclo. A Figura 5-7 mostra a tela do Advisor para seleção do ciclo de condução.
Figura 5-7. Tela do Advisor para seleção do ciclo de condução
A Figura 5-8 mostra a variação da velocidade e da elevação de acordo com a evolução temporal do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1. Percebe-se que o perfil de velocidade é altamente variável, proveniente das constantes paradas, e que a velocidade máxima de cerca de 42 km/h é alcançada por volta dos 1500 segundos de ciclo. Já a elevação permanece constante durante todo o ciclo, o que significa um percurso completamente plano. O tempo total do ciclo é de 3288 segundos, ou 54,8 minutos.
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Figura 5-8. Variação da velocidade e da elevação de acordo com o tempo do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1
A Figura 5-9, por sua vez, apresenta o percentual do tempo em que o ônibus se encontra em cada faixa de velocidade. Percebe-se que em mais de 40% do tempo de trajeto o ônibus encontra- se a uma velocidade de menos de 10 km/h, enquanto apenas em 10% do tempo o ônibus encontra- se próximo aos 40 km/h. Isso reflete mais uma vez a natureza do ciclo, que possui um número elevado de paradas, mantendo o ônibus a baixas velocidades durante a maior parte do percurso.
Figura 5-9. Percentual de tempo por faixa de velocidade do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1
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regenerativa. Uma vez que o ônibus estará constantemente usando os freios, a energia de frenagem recuperada é de grande valia para a redução do consumo global.
Pode-se perceber que o perfil de velocidade é extremamente variável, já que o ciclo em questão se refere a um ônibus urbano, apresentando paradas frequentes. Sendo assim, espera-se uma demanda de potência do motor elétrico igualmente variável. A Tabela 5-4 resume os dados do ciclo em questão.
Tabela 5-4: Dados do ciclo CYC_UKBUS_MAS_VAR1
5.5 Validação da simulação
Primeiramente, foram avaliadas as saídas do Advisor para a simulação de um ciclo, de forma a avaliarmos o comportamento dos componentes.
A Figura 5-10 apresenta a tela de saída do Advisor referente à simulação do ônibus da EMTU, para um ciclo e SOC inicial de 80%.
Parâmetro Valor
Tempo do trajeto 3228 segundos ou 54 minutos
Distância percorrida 12,13 km Velocidade máxima 41,96 km/h Velocidade média 13,27 km/h Máxima aceleração 1,31 m/s2 Máxima desaceleração -1,66 m/s2 Aceleração media 0,33 m/s2 Desaceleração média -0,4 m/s2
Tempo ocioso 83 segundos
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Figura 5-10. Tela de saída da simulação para 1 ciclo.
A Figura 5-11 mostra a potência resultante disponível ao motor elétrico do veículo simulado. Observa-se que a demanda de potência é de grande variabilidade, como esperado para o ciclo de um ônibus urbano, onde o número de paradas é maior.
Figura 5-11. Potência disponível (W) para o motor elétrico na simulação de 1 ciclo A Figura 5-12 mostra a potência fornecida pela célula a combustível no decorrer do ciclo. Nota-se que no início a potência vale zero, já que a célula a combustível se encontra desligada
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inicialmente. A potência foi fornecida pela bateria nos primeiros segundos.
Figura 5-12. Potência fornecida pela célula a combustível.
A Figura 5-13 apresenta a potência fornecida pela bateria em um ciclo. Os valores negativos são referentes à recarga da bateria.
Figura 5-13. Potência fornecida pela bateria (W) em um ciclo.
A Figura 5-14 mostra o consumo de hidrogênio em litros em um ciclo. Percebe-se que o consumo de combustível ocorre apenas quando a célula a combustível está acionada. Nos primeiros segundos o consumo é zero, pois a célula a combustível está inicialmente desligada. Percebe-se também certas faixas retas, que representam intervalos onde a célula a combustível encontra-se desligada.
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Foi também realizada simulação de 15 ciclos (182 km), já que para esta distância percorrida, o impacto da carga inicial da bateria é irrelevante, como visto no item 7. Percebe-se que o consumo na simulação de 15 ciclos (4,3 MPGGe, ou 0,547 L/km) é maior frente ao consumo na simulação de 1 ciclo (4,5 MPPGGe, ou 0,522 L/km). Isso é explicado pela maior influência do estado inicial da carga em distâncias menores. Para distâncias maiores, esta influência é reduzida. Apesar de os gráficos apresentarem grande poluição visual, o objetivo neste caso foi validar a performance do modelo. A Figura 5-15 apresenta os resultados da simulação para 15 ciclos.
Figura 5-15. Tela de saída da simulação para 15 ciclos
O consumo do ônibus divulgado pela EMTU é dado em quilogramas de hidrogênio e o consumo resultado da simulação é dado em milhas por galão equivalente. Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos, o número de milhas percorridas por um FCHEV consumindo um quilograma de hidrogênio é aproximadamente igual ao número de milhas percorridas por um
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veículo a gasolina análogo consumindo um galão de gasolina. Dessa forma, é possível compararmos o consumo do ônibus real, expresso em quilogramas de hidrogênio a cada 100 km, com o consumo da simulação, expresso em milhas por galão equivalente.
Os resultados das simulações foram consolidados e são apresentados na Tabela 5-5, onde também são comparados aos valores obtidos nas especificações do ônibus da EMTU. A simulação utilizada foi a de 15 ciclos por esta apresentar menor influência do estado de carga inicial da bateria no consumo do ônibus.
Tabela 5-5: Validação da simulação do ônibus da EMTU.
Nota-se que tanto a economia de combustível quanto os tempos de aceleração apresentam desvios inferiores a 4% em relação aos dados especificados pela EMTU. Dessa forma, foi julgado que os desvios apresentados estão dentro de um limite razoável. Partindo deste modelo pode-se propor melhorias a partir de alterações nos componentes veiculares.
Resultado da Simulação Dados do ônibus real Desvio (%) Economia de combustível - MPGE 4,3 4,2 +2,4% Aceleração de 0-50 km/h (s) 14,6 15 +2,7% Aceleração de 20-60 km/h (s) 17,1 16,5 -3,6%
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