O teste de campo foi realizado seguindo o trajeto proposto na Figura 4.1, e os dados da atividade foram registrados por dois aplicativos de acompanhamento esportivo. Esses aplicativos são utilizados por esportistas de várias modalidades para rastrear e analisar atividades esportivas como: corrida, caminhada, ciclismo, natação, patinação, entre outros. Os aplicativos utilizados foram o Strava e o Sportractive, ambos na versão gratuita.
A bicicleta montada com o sistema elétrico completo pode ser visualizada na Figura 5.2, na qual têm-se uma bicicleta comercial equipada com motor (roda dianteira), banco de supercapacitores (bagageiro), conversor CC-CC e adicionalmente foi colocado um sistema de medição (multímetros).
Figura 5.2: Bicicleta montada com sistema elétrico desenvolvido.
A Tabela 5.1 exibe as características físicas da bicicleta, do sistema desenvolvido e do ciclista, nas quais o teste de campo foi realizado.
Tabela 5.1: Características do sistema testado em campo Parâmetros Valores
Peso do ciclista 50 kg Peso da bicicleta + motor 19,5 kg Peso do banco + conversor 4 kg Peso do sistema de medição 1 kg Peso total 74,5 kg
Para validação do sistema, o percurso proposto na Figura 4.1 foi realizado pelo mesmo ciclista de três modos de operação diferentes, com o objetivo de avaliar o desempenho da e-bike. As modalidades de teste escolhidas para avaliar o desempenho da bicicleta foram: teste (a) - somente pedal, teste (b) - somente elétrico e teste (c) - pedal elétrico. As condições físicas mostradas na Tabela 5.1 foram mantidas na realização de todas as modalidades de teste.
Na modalidade de teste (a) o trajeto percorrido pelo ciclista foi registrado pelo Strava e o Sportractive. As informações da rota percorrida foram extraídas dos aplicativos e podem ser observadas na Figura 5.3.
Figura 5.3: Teste (a) - percurso realizado com a bicicleta com propulsão somente por pedal, dados fornecidos pelo Strava.
Durante o teste (a) a velocidade média foi de aproximadamente 12,0 km/h e, a velocidade durante todo o percurso pode ser observada no gráfico da Figura 5.4. Esse gráfico também foi fornecido pela análise do aplicativo Strava que apresenta a velocidade (eixo vertical) em função da distância percorrida (eixo horizontal).
Figura 5.4: Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (a) - adaptado de Strava.
manteve o ritmo médio de deslocamento entre ∼ 4 e 6 min/km. A Tabela 5.2 apresenta um resumo com os dados da atividade realizada no teste (a). Esses dados foram retirados dos aplicativos de rastreamento para efeitos de comparação.
Tabela 5.2: Teste (a) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento Detalhes da Atividade Sportractive Strava
Distância percorrida 1,948 km 1,990 km Duração 10:02 min 09:59 min Ritmo médio 05:10 min/km - Velocidade média 11,63 km/h 12,0 km/h
Elevação 617 m 616 m
O ritmo médio é expresso tipicamente pelos aplicativos de esportismo em unidade de tempo por deslocamento (min/km), indicando o tempo médio gasto pelo usuário para percorrer 1 quilômetro.
A avaliação da autonomia elétrica foi realizada na bicicleta com o objetivo de testar o funcionamento do sistema eletroeletrônico desenvolvido no capítulo 4. Durante o teste, o ciclista percorreu o trajeto da Figura 5.5 sem acionar os pedais, isto é, utilizou somente impulso elétrico durante a jornada.
Figura 5.5: Teste (b) - percurso realizado com a bicicleta com propulsão somente elétrica, dados fornecidos pelo Strava.
Ao comparar os trajetos das Figuras 5.3 e 5.5 percebe-se que em ambos, o ponto de largada é o mesmo. Contudo, o ponto final dos trajetos não coincidem pois a autonomia elétrica verificada no teste (b) é de aproximadamente 1,7 km. Por isso, somente no teste (b) o ponto de chegada não coincide com o ponto de largada.
A velocidade média durante o teste (b) foi de aproximadamente 10,0 km/h e a velocidade durante todo o percurso pode ser observada no gráfico da Figura 5.6. Esse gráfico também foi fornecido pela análise do aplicativo Strava que apresenta a velocidade (eixo vertical) em função da distância percorrida (eixo horizontal).
Figura 5.6: Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (b) - adaptado de Strava.
O perfil de velocidade do teste (b) apresenta considerável diferença no ponto de retorno (assinalado no gráfico no ponto próximo a 1,0 km). A partir desse ponto como pode ser observado na Figura 5.6, a velocidade da bicicleta foi reduzida durante a realização do retorno; o trecho escolhido para o retorno está localizado em frente a entrada principal da Biblioteca Central César Lattes. A redução de velocidade também ocorreu no mesmo ponto durante o teste (a), como mostra a Figura 5.4. A Tabela 5.3 apresenta um resumo com os dados da atividade realizada no teste (b).
Tabela 5.3: Teste (b) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento Detalhes da Atividade Sportractive Strava
Distância percorrida 1,707 km 1,69 km Duração 10:19 min 10:16 min Ritmo médio 06:03 min/km - Velocidade média 9,91 km/h 9,9 km/h
Elevação 617 m 616 m
Os resultados exibidos na Tabela 5.3 indicam que os aplicativos utilizados para monitoramento apresentaram resultados convergentes com valores bem próximos. A
modalidade de teste (c) é o perfil de avaliação mais adequado por se tratar de uma bicicleta elétrica. Considerando que, em uma aplicação real o ciclista deve pedalar a bicicleta e também utilizar o sistema de propulsão elétrico para reduzir o esforço necessário em trechos estratégicos de seu deslocamento. A Figura 5.7 apresenta o percurso realizado pelo ciclista no teste (c).
Figura 5.7: Teste (c) - Percurso realizado com a bicicleta com propulsão por pedal & elétrico, dados fornecidos pelo Strava.
Como esperado, a velocidade média alcançada durante o teste (c) é superior aos valores obtidos nos testes (a) e (b), chegando a aproximadamente 14,0 km/h, como pode ser observado no gráfico da Figura 5.8.
Figura 5.8: Curva de velocidade em função do deslocamento obtida no teste (c) - adaptado de Strava.
Observa-se que o comportamento da velocidade na Figura 5.8 é mais uniforme quando comparado com os dados de velocidade obtidos no teste (b). No trecho de retorno assinalado no gráfico, no qual o ciclista se dirige da biblioteca para aFEEC, a velocidade
média se mantém superior aos valores dos testes (a) e (b). Os gráficos exibidos nas Figuras 5.4, 5.6 e 5.8 apresentam as curvas de velocidade em função do deslocamento para os três testes realizados, nota-se que a velocidade máxima e média atingida em cada teste está destacada nos gráficos para efeitos comparativos.
Assim como nos testes (a) e (b), durante o teste (c) a velocidade da bicicleta foi reduzida no trecho localizado em frente a entrada principal da biblioteca. Contudo, pode ser observado no gráfico da Figura 5.8 que no teste (c) a velocidade é restabelecida a valores mais elevados e uniformes; isso também pode ser percebido na Tabela 5.4 que exibe os resultados do teste (c) fornecidos pelos dois aplicativos de monitoramento.
Tabela 5.4: Teste (c) - Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento Detalhes da Atividade Sportractive Strava
Distância percorrida 2,009 km 1,99 km Duração 08:32 min 08:30 min Ritmo médio 04:15 min/km - Velocidade média 14,12 km/h 14,20 km/h
Elevação 617 m 616 m
Comparando os resultados de velocidade obtidos no teste (c) com os requisitos de uma bicicleta elétrica comum de uso urbano, cuja velocidade média é aproximadamente 17,6 km/h [7], percebe-se que a velocidade média no teste (c) é um pouco inferior (14,0
km/h). Contudo pode ser observado na Figura 5.8 que o perfil de velocidade ao longo
do percurso é um resultado coerente para circulação em trechos urbanos, atingindo a velocidade máxima de 23,4 km/h. A velocidade média obtida no teste (c) foi calculada
pelos aplicativos em todo o percurso (ida e volta), portanto o valor calculado levou em consideração a abrupta redução de velocidade no ponto de retorno localizado em frente a biblioteca, contribuindo assim para redução da velocidade média.
O estado de carga do banco de supercapacitores foi conferido após os testes (b) e (c) com intuito de quantificar a energia consumida durante o trajeto. Ao final dos testes (b) e (c) o banco estava com tensão aproximadamente igual a 15,0 V e 19,0 V , respectivamente. Aplicando a Equação 2.3 obtemos os valores de energia consumidos no percurso durante a realização dos testes (b) e (c), sendo aproximadamente iguais a 10,0
W h e 5,0 W h, respectivamente.
A energia consumida na realização do teste (b) é o dobro do valor consumido no teste (c), validando assim o objetivo de utilização tanto do pedal quanto do sistema elétrico durante o teste (c).
O banco de supercapacitores foi recarregado após a realização dos testes (b) e (c), e por meio da fonte MPL-3303M (Minipa) aplicou-se uma corrente de carga igual a 2,7 A e o tempo de recarga do banco de supercapacitores foi medido. Os valores medidos para recarga após os testes (b) e (c) foram 7 e 5 minutos, respectivamente; esses valores foram obtidos devido a limitação de potência da fonte (MPL-3303M) que possui cerca de 1/3 da potência estimada para a fonte de recarga.
Devido as limitações práticas experimentais, o carregador para o banco de supercapacitores representado na Figura 4.2 não foi incluído no sistema elétrico da bicicleta. Contudo, estima-se que a inclusão do carregador irá conferir maior versatilidade a bicicleta que poderá ser recarregada em tomadas elétricas de uso geral (10 A) durante o trajeto do ciclista. Outro aspecto positivo da inserção do carregador é a redução do tempo de recarga do banco de supercapacitores. Estima-se com base na tensão e corrente nominal da fonte (24 V /10 A) e na capacitância do banco de supercapacitores (180 F ) que ocorrerá redução de aproximadamente 60% no tempo de recarga, ou seja, o tempo de carga pode ser reduzido para ∼ 4 minutos.
A corrente máxima dos supercapacitores utilizados na montagem do banco da e-bike é de 23 A (∆T=15◦) e 37 A (∆T=40◦), logo o tempo de recarga desse banco poderá ser otimizado conforme a necessidade do usuário com a utilização de uma fonte de carregamento de maior capacidade de corrente.
Algumas limitações identificadas no projeto podem ser implementadas como trabalhos futuros, entre as quais estão:
• Implementação do controle digital para otimizar a potência de operação do conversor CC-CC;
• Acrescentar um sistema de balanceamento ativo de cargas no banco de supercapaci- tores para prevenção de surto de sobrecarga de tensão nos supercapacitores;
• Adequar o sistema de acionamento elétrico da bicicleta conforme as exigências e normativas do Conselho Nacional de Trânsito [12];
• Inserir ao sistema um carregador compatível com a rede elétrica comercial/residencial para viabilizar a recarga da e-bike nos trajetos realizados;
• Integrar ao sistema eletrônico um módulo para monitoramento do estado de carga do banco de supercapacitores em tempo real;
• Estudar a viabilidade de instalação de pontos estratégicos de recarga rápida (maior capacidade de corrente) como os do projeto emotive da CPFL, para otimizar o tempo de recarga da e-bike;
• Produzir supercapacitores em dimensões maiores com maior capacidade de armaze- namento de energia para possibilitar a realização de testes da bicicleta elétrica com os dispositivos desenvolvidos pelo próprio grupo;
Tabela 5.5: Resumo dos dados obtidos pelos aplicativos de rastreamento Teste (a) Teste (b) Teste (c)
Distância percorrida 1,99 km 1,69 km 1,99 km Duração 09:59 min 10:16 min 08:30 min Velocidade média 12,0 km/h 9,9 km/h 14,2 km/h Velocidade máxima 22,0 km/h 20,5 km/h 23,4 km/h
Capítulo 6
Conclusão
Neste trabalho desenvolvemos o sistema eletrônico de uma bicicleta elétrica cuja fonte de alimentação é um banco de supercapacitores. Este sistema tem a vantagem de recarga completa em aproximadamente ∼10 min, que é superior a eficiência de recarga das bicicletas elétricas convencionais ∼6 h. Demonstramos através da realização de um percurso de ∼1,5 km que o ciclista pode se movimentar utilizando apenas a carga do banco de supercapacitores. Embora pequena, esta distância percorrida pode ser bem aproveitada para deslocamentos pontuais em grandes centros, universidades, polos empresariais e etc. Além disso o carregamento rápido, reduz o inconveniente da espera pela recarga das baterias convencionais que são certamente um limitante ao dispositivo. No teste de autonomia elétrica a bicicleta apresentou limitação em potência devido ao conversor mas os resultados obtidos foram satisfatórios, visto que o percurso proposto foi realizado pelo ciclista. A velocidade média da bicicleta no teste de autonomia elétrica foi de 10 km/h. Em um cenário real em que o ciclista utilize tanto o acionamento por pedais quanto o sistema elétrico, a velocidade média é de 14 km/h permitindo a realização do percurso em menor tempo e se for o caso deslocamento muito superiores ao mencionados.
Além do sistema eletrônico, neste trabalho trabalhamos com o desenvolvimento de protótipos de supercapacitores. A ideia inicial seria utilizar os dispositivos que de- senvolvidos pelo grupo, na e-bike, mas por conta de alguns imprevistos no projeto, esta tarefa é deslocada a projetos futuros. Realizou-se de fato a prova de conceito com a fabricação de células do tipo moeda. Os resultados das caracterizações eletroquímicas apontam para a eficiência na metodologia de montagem, tendo em vista que a resistência em série equivalente calculada para os dispositivos apresentou valores reduzidos. Os valores reduzidos de resistência em série equivalente indicam entre outros fatores, baixa resistência de contato elétrico. A montagem de dispositivos com eletrólitos aquosos é vantajosa, considerando sua baixa toxicidade e o custo reduzido.
No geral entende-se que o trabalho abre caminho para uma nova frente de atuação com a inserção de outros dispositivos de armazenamento de energia no cenário da mobilidade urbana. O uso de supercapacitores nas bicicletas elétricas possibilita recargas
rápidas que podem ser utilizadas estrategicamente em deslocamentos curtos, promovendo melhorias no tráfego urbano.
Referências
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Apêndice A
Divulgação da Pesquisa
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