Limites de hibridização

De acordo com a Associação Americana de Transportes Públicos (APTA, 2013), os requisitos básicos de performance de um ônibus urbano são:

1) Velocidade máxima de 55 mph (88,5 km/h);

2) O sistema de propulsão deve permitir que o ônibus atinja e mantenha uma velocidade de 40 mph (64,4 km/h) ao subir aclives com inclinação de 2,5%;

3) A aceleração deve ser suficientemente gradual e uniforme para impedir que os passageiros em pé sejam desequilibrados, além de ser capaz de alcançar determinadas velocidades em determinados intervalos de tempo. Estes requisitos são apresentados na Tabela 6-1, que indica os tempos máximos exigidos para se atingir determinadas velocidades.

Tabela 6-1: Tempos máximos de aceleração de um ônibus em uma superfície plana, de acordo com a APTA.

Além dos requisitos básicos da APTA acima descritos, há ainda outra limitação associada a um FCHEV que opera no modo sustentação da bateria (Charge Sustaining), como no caso estudado. A célula a combustível de um FCHEV deve ser capaz de atender às potências contínuas requeridas sozinha, sem o auxílio da bateria (AHLUWALIA, WANG e ROUSSEAU). Mais especificamente, a célula a combustível deve ser capaz atender sozinha aos requisitos de potência

Velocidade em mph (km/h) Tempo máximo (s)

0-10 (0-16,1) 5

0-20 (0-32,2) 10

0-30 (0-48,3) 18

0-40 (0-64,4) 30

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do veículo, nesses requisitos se inclui a subida em aclives. Dessa forma o teste de subida em aclive é realizado utilizando-se apenas a célula a combustível (requisito 2 da APTA, descrito acima).

Conforme mencionado no item 3.3, a célula a combustível não consegue responder rapidamente a variações de potência, por esse motivo os testes 1 e 3 utilizam a bateria e a célula a combustível conjuntamente.

A potência total da bateria é modificada pela variação do número de módulos da bateria, a potência total da célula a combustível é dada pela diferença da potência total do sistema e do novo valor da potência total da bateria. Os graus de hibridização são validados conforme as restrições abaixo:

1) Utilizando-se a célula de combustível e o banco de baterias para o acionamento do motor, o ônibus deve atingir a velocidade máxima de 55 mph (88,5 km/h);

2) Utilizando-se somente a célula a combustível para acionamento do motor, o ônibus deve ser capaz de subir aclives com inclinação de 2,5 % a velocidade constante de 40 mph (64,4 km/h);

3) Utilizando-se a célula de combustível e o banco de baterias para o acionamento do motor, o ônibus deve cumprir os tempos máximos de aceleração por faixa de velocidade descritos na Tabela 6-1.

Previamente ao início das análises dos diferentes graus de hibridização, houve a necessidade da determinação dos limites superior e inferior de hibridização, de modo que o ônibus atinja os requisitos acima descritos. Para isso, foi observado o desempenho nos testes de subida em rampa e testes de aceleração, ambos para diferentes configurações de hibridizações do ônibus.

A variação do grau de hibridização em relação ao modelo validado abrange apenas a variação das potências da bateria e da célula a combustível, mantendo-se constantes todos os outros parâmetros. Além disso, como apresentado no item 6.1, a potência máxima de fornecimento da soma dos subsistemas é mantida constante. Como a potência específica da célula a combustível é maior do que a potência específica da bateria do modelo, a massa do ônibus é alterada com a variação do grau de hibridização.

A Figura 6-1 mostra a aba do Advisor para a simulação do teste de capacidade subida em rampa do ônibus. O teste proposto ocorre de forma que, na velocidade constante e no período inserido na tela, o software gere a máxima inclinação que o sistema da célula a combustível é capaz de manter o veículo.

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Figura 6-1. Aba do Advisor para teste de capacidade de subida em rampa.

A Figura 6-2 mostra a aba do Advisor para a simulação do teste de aceleração do ônibus. O teste proposto ocorre de forma que, no intervalo de velocidades inserido na tela, o software gere o tempo mínimo de aceleração do modelo simulado.

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Figura 6-2. Aba do Advisor para teste de aceleração.

A Tabela 6-2 apresenta os dados de entrada para as simulações realizadas de diferentes graus de hibridização. Percebe-se que a potência máxima da célula a combustível somada à potência máxima da bateria de Lítio é constante em todas as configurações de graus de hibridização. Além disso, pode-se observar o aumento da massa do ônibus de acordo com o aumento do grau de hibridização uma vez que a potência específica da bateria é menor que a da célula a combustível. A linha destacada na Tabela 6-2 representa a simulação base do ônibus na sua configuração original (GH=41,2%).

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Tabela 6-2: Dados de Entrada das simulações de grau de hibridização.

Grau de hibridização Potência máxima da célula a Combustível Potência máxima da bateria de Lítio Módulos de bateria Massa do banco de baterias Massa do empilhamento de célula a combustível Massa do veículo com carga 27,7% 184 kW 71 kW 31 461,9 kg 859,8 kg 16836 kg 28,6% 182 kW 73 kW 32 476,8 kg 849,1 kg 16841 kg 31,3% 175 kW 80 kW 35 521,5 kg 817,2 kg 16853 kg 34,0% 168 kW 87 kW 38 566,2 kg 785,2 kg 16866 kg 36,7% 161 kW 94 kW 41 610,9 kg 753,3 kg 16879 kg 41,2% 150 kW 105 kW 46 685,4 kg 700 kg 16900 kg 43,0% 145 kW 110 kW 48 715,2 kg 678,7 kg 16908 kg 43,9% 143 kW 112 kW 49 730,1 kg 668 kg 16912 kg

Os resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa para diferentes graus de hibridização simulados são apresentados na Figura 6-3.

51 (b) Simulação Hibridização 28,60% (c) Simulação Hibridização 31,3% (d) Simulação Hibridização 34,0%

52 (f) Simulação Base (41,2%) (g) Simulação Hibridização 43,0% (h) Simulação Hibridização 43,9%

Figura 6-3. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida em rampa.

Os resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa para diferentes graus de hibridização do ônibus da EMTU são apresentados na Tabela 6-3. Como apresentado neste mesmo item, os testes de aceleração foram feitos com a bateria e a célula a combustível em funcionamento. Já os testes de subida de rampa foram feitos apenas com a célula a combustível acionada.

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Tabela 6-3: Resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa.

Hibridização 27,7% 28,6% 31,3% 34,0% 36,7% 41,2% 43,0% 43,9% Máxima inclinação sustentada apenas pelo FCS a 40 mph 2,9% 3,0% 3,2% 3,0% 2,9% 2,6% 2,5% 2,4% Aceleração de 0 a 10 mph (s) 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 Aceleração de 0 a 20 mph (s) 8,2 8,1 7,7 7,6 7,5 7,3 7,3 7,3 Aceleração de 0 a 30 mph (s) 16,6 16,2 15,2 14,7 14,2 13,7 13,5 13,4 Aceleração de 0 a 40 mph (s) 31,1 30 27,6 26,4 25,4 24,1 23,6 23,4 Aceleração de 0 a 50 mph (s) 56,5 53,8 48,3 45,7 43,5 40,6 39,6 39,2

Os resultados apresentados na Tabela 6-3 indicam que a diminuição do grau de hibridização implica no aumento do tempo de aceleração. Por outro lado, o aumento do grau de hibridização reduz a inclinação máxima em que a célula a combustível é capaz de sustentar de maneira autônoma o ônibus a 40 mph. A coluna destacada na Tabela 6-3 representa a simulação base do ônibus na sua configuração original (GH=41,2%). Também são destacados na Tabela 6-3 os valores onde a simulação não cumpre os requisitos da APTA, ou seja, onde a célula a combustível não é capaz de manter o ônibus em movimento autonomamente a uma inclinação mínima de 2,5% (GH=43,9%) ou onde alguma das exigências de aceleração da Tabela 6-1 - no caso o teste de 0-40 mph que ultrapassa os 30 segundos exigidos - não é cumprida (GH=27,7%).

Podemos então avaliar que o limite inferior do grau de hibridização é determinado pelo tempo de aceleração abaixo da restrição, enquanto o limite superior é determinado pela máxima inclinação que a célula a combustível é capaz de manter o ônibus de forma autônoma.

Dessa forma, o limite inferior assumido foi de 28,6%, uma vez que a redução unitária seguinte do grau de hibridização (27,7%) resultaria em um tempo de aceleração acima da restrição para o teste de 0-40 mph. Já o limite superior de hibridização foi definido como 43,0%, visto que o

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aumento seguinte do grau de hibridização (43,9%) implicaria em uma inclinação máxima sustentada pela célula a combustível menor do que o limite de 2,5%. Qualquer hibridização que se encontre dentro desse intervalo satisfaz os requisitos exigidos pela APTA apresentados.