ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DE UM KIT ELÉTRICO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES

ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DE UM KIT

ELÉTRICO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES

Aluno: José Eduardo Sanson Portella de Carvalho Orientador: Carlos Valois Maciel Braga

1. Introdução / Motivação

Com o decorrer dos anos, a indústria de fabricação e desenvolvimento de veículos cresceu de forma exponencial. Entretanto, esse grande aumento no número de automóveis em uso pelo mundo tem causado e continua causando sérios problemas para o meio ambiente e para o desenvolvimento sustentável da humanidade, como: poluição do ar, aquecimento global, esgotamento de recursos na Terra.

Atualmente, a maioria dos automóveis depende da combustão de combustíveis fósseis a base de hidrocarbonetos, responsáveis pela geração da energia necessária para a propulsão. A combustão é a reação entre o combustível e o ar que libera calor e produtos do processo. O calor é convertido em potência mecânica pelo motor e os derivados são liberados na atmosfera. A combustão de hidrocarbonetos gera, além de dióxido de carbono e água, óxido de nitrogênio, monóxido de carbono e outros poluentes que são nocivos à saúde humana. A indústria automobilística é responsável pela emissão de 25% dos poluentes responsáveis pelos problemas ambientais.

O aquecimento global é resultado do efeito estufa, provocados pela emissão dos gases citados. Esses gases “prendem” a radiação do sol, que é refletida pelo solo, retendo a energia na atmosfera e aumentando a temperatura da Terra. Esse acréscimo de temperatura resulta em grandes danos ecológicos ao ecossistema e desastres naturais.

Assim, é preciso encontrar novas soluções que possam permitir e garantir uma utilização mais eficiente dos recursos energéticos sem causar um grande impacto no meio ambiente. Com os avanços tecnológicos, indústrias investem em sistemas elétricos e híbridos em diversas aplicações a fim de solucionarem os problemas citados.

Na área veicular existe um interesse muito grande no desenvolvimento de veículos que utilizam de maneira mais eficiente o recurso energético de forma menos poluentes. Durante as últimas décadas, realizaram-se pesquisas com o objetivo de avaliar os veículos elétricos e os híbridos, com o intuito de introduzir esse tipo de tecnologia no mercado de veículos. Até agora, os veículos híbridos se mostraram bastante promissores, utilizando motor de combustão interna e motor elétrico.

2. Revisão Bibliográfica

2.1 Veículos Híbridos

Veículos convencionais com motores de combustão interna (MCI) proveem bom desempenho e longa autonomia com o uso de gasolina como combustível. Porém, MCI

convencionais enfrentam a desvantagem da baixa eficiência energética e alta emissão de gases poluentes. Veículos elétricos (VE) movidos à bateria possuem certas vantagens sobre os VMCI, tais como alta eficiência energética e zero emissão de gases poluentes. Entretanto, possuem uma autonomia muito menor quando comparados com os VMCI, dada sua menor capacidade energética das baterias. Veículos híbridos (VH) utilizam as duas fontes de potência – uma primária e uma secundária – possuindo as vantagens dos dois tipos de motores de forma a superar suas respectivas desvantagens.

É preciso que um trem de acionamento basicamente: transmita potência suficiente para o que é exigido, carregue energia suficiente a bordo para suportar a autonomia do veículo, demonstre alta eficiência e emita poucos poluentes. O trem de acionamento de um veículo híbrido usualmente consiste de não mais de dois trens de força. Com propósito de recapturar parte da energia durante a frenagem, estes veículos possuem uma fonte de energia e conversor bidirecional. Existem diversas combinações na qual a potência pode fluir: um dos trens de força pode prover a potência sozinho, ambos os trens de força podem prover energia ao mesmo tempo, um trem de força pode prover potência ao outro e os trens de força podem receber potência de uma fonte externa (frenagem regenerativa).

Os variados modos de operação de um veículo híbrido criam maior flexibilidade. Com controle e configurações adequadas, aplicar o modo especifico para condição especial de operação pode aperfeiçoar o desempenho geral, eficiência e emissões. Operar cada trem de força com eficiência para uma dada região é essencial para a eficiência do veículo. Um motor de combustão interna é mais adequado para regiões com aceleração ampla, enquanto motores elétricos são mais adequados para outras ocasiões.

2.1.1 Tipos de híbridos

A arquitetura de um híbrido é definida como a conexão entre os componentes que definem as rotas do fluxo de potência e o controle das portas. Existem diversos tipos de arquiteturas, classificadas como: série (a), paralelo (b), série-paralelo (c) e complexo (d), como mostrado na figura a seguir.

São mostrados nas figuras um tanque de combustível para CI e uma bateria com motor elétrico, como exemplo de fonte primária e secundária respectivamente. As fontes podem ser trocadas por alternativas: células de combustível, supercapacitores e “flywheels”.

 Arquitetura em Série:

A arquitetura em série de um veículo híbrido utiliza duas fontes de potência alimentam um único motor que movimenta o veículo. Um deles consiste de um sistema unidirecional formado por um tanque de combustível que se liga a um MCI conectado a um gerador elétrico que por sua vez é ligado a um conversor eletrônico (retificador). O outro trem de acionamento consiste de um sistema bidirecional composto por pacote de bateria, conectado a um conversor elétrico (conversor DC/DC). Ambos os trens de acionamento são ligados a um controlador que aciona o motor de tração.

Existem diversos modos de operação para esta arquitetura: puramente elétrico ou mecânico, híbrido, recarga da bateria por frenagem regenerativa ou pelos motores ou por uma fonte externa (plug-in). O uso desta arquitetura se beneficia pelo fato de ter uma simples estratégia para controle devido à dissociação do sistema mecânico pela transmissão elétrica. Essa dissociação permite que o MCI opere com máxima eficiência e que seja um motor de rotação alta. Além disso, podem-se utilizar dois motores elétricos, um ligado em cada roda, evitando o uso de um diferencial pelo fato de terem uma característica de torque-velocidade quase ideal. Porém, há desvantagens no uso desta arquitetura: a energia do MCI é convertida duas vezes (mecânica para elétrica no gerador e elétrica para mecânica no motor de tração) o que pode significar perdas significantes dadas as ineficiências do gerador e motor, peso e custo adicional de um gerador e o dimensionamento do motor de tração para que cumpra com todas as exigências na propulsão do veículo.

 Arquitetura em Paralelo:

A arquitetura em paralelo de um veículo híbrido é aquele no qual o MCI supre potência para os pneus de forma convencional. Ele é assistido por um motor elétrico acoplado na transmissão. As potências de ambos os motores são associados por um acoplamento mecânico. Semelhante a outra configuração (em série) o pacote de bateria pode ser recarregada mediante a frenagem regenerativa ou fonte externa. Existem diversos modos para este tipo de trem de acionamento: tração somente do MCI, tração somente do motor elétrico, tração híbrida e frenagem regenerativa.

O esquema geral de controle consiste em dois níveis. Um de nível superior que se baseia no comando do motorista e dos componentes característicos, e um de nível inferior que recebe os comandos do nível superior e é responsável por fazer o sistema funcionar de forma apropriada, como mostrado na Figura 2.

Figura 2: Fluxo de Controle de um Veículo Híbrido

2.1.2 Sistema de Propulsão Elétrico

O sistema de propulsão elétrico é o coração de um veículo híbrido. Consiste de um motor elétrico, conversores e controle eletrônicos. O motor elétrico converte energia elétrica em energia mecânica propulsionando o veículo, ou, vice versa, habilitando a frenagem regenerativa que gera eletricidade para a carga do armazenador de energia. O conversor de potência é usado para suprir a tensão e corrente adequada ao motor elétrico. O controlador eletrônico comanda a conversão de potência provendo sinais e também controla a operação do motor elétrico para produzir torque e velocidade de acordo com os comandos do motorista. O controlador pode ser divido em três unidades funcionais: sensor, interface e processador.

Os motores usados nesta aplicação requerem: frequentes paradas e partidas, altas taxas de aceleração e desaceleração, alto torque e baixa velocidade para subir ladeiras, baixo torque e alta velocidade em modo cruzeiro. Podem ser classificados em dois principais grupos: motores com ou sem comutadores. Aqueles que possuem comutadores são tradicionalmente motores DC e de imã-permanente. Motores sem comutadores (sem escovas) são mais atrativos devido sua maior eficiência, densidade de potência e menor custo operacional.

 Motores DC

Motores DCs têm sido vastamente usados em aplicações que se requerem velocidades ajustáveis, fácil regulação de velocidade e frequentes partidas, paradas e reversão. Quando um fio carregando corrente elétrica é posto em um campo magnético, uma força magnética é produzida sob o fio. O fio é então moldado em uma bobina (armadura) e a força magnética agindo em ambos os lados produzem torque. O desempenho de um motor DC pode ser determinado pela voltagem da armadura, força eletromotriz inversa e fluxo do campo.

Figura 3: Motor Elétrico  Pontes H

A ponte H é um arranjo, em forma de “H”, de chaves que serve para inverter a polaridade de uma carga sem a necessidade de utilizar fonte simétrica. É bastante utilizado para acionamento de motores DC. Seu funcionamento é simples: fecham-se suas chaves fazendo com que o motor rode em um sentido, assim como outra combinação de chaves fechadas faz com que o fluxo de corrente seja invertido e o sentido da rotação também se inverte. Também há combinações de chaves que podem fazer com que o circuito seja destruído. Para prevenir o acionamento indesejado, se utiliza um circuito dedicado que contém proteção para estas situações.

 Modulação por largura de pulso (Pulse-width modulation – PWM)

O PWM controla a velocidade ou potência de algum sistema através da largura do pulso de uma onda quadrada. Sua frequência permanece fixa, normalmente em um valor alto suficiente para não afetar o funcionamento do equipamento a ser controlado e que a forma da onda resultante seja a mais suave possível. Para se variar a largura do pulso, dois parâmetros devem ser levados em consideração: período e a largura do pulso propriamente dita, chamada duty-cycle, definida em porcentagem. A grande vantagem de seu uso é que ele consegue trabalhar com uma eficiência de quase 100%.

2.1.3 Motor de Combustão Interna

 4 tempos, ignição por centelha:

Consiste de subsistemas incluindo: energização (virabrequim, haste de conexão, pistão e cilindro), admissão e exaustão (filtro de ar, acelerador, manifolds e válvulas de admissão e exaustão), suprimento de combustível (tanque de combustível, bobina de ignição, distribuidor e vela de ignição), refrigeração (coolant, bomba d’água, radiador) e lubrificação.

Um motor de quatro tempos (ignição por centelha) possui quatro processos distintos correspondendo a cada tempo do pistão:

o Admissão: A válvula de admissão é aberta e a de exaustão fechada, de forma que o cilindro se move para baixo permitindo a entrada da mistura ar/combustível formado nos manifolds.

o Compressão: ambas as válvulas estão fechadas e o pistão se move para cima com o cilindro. A medida que o pistão se aproxima do topo (top dead center – TDC), a vela de ignição produz uma centelha que provoca a ignição da mistura.

o Expansão (processo de trabalho): A combustão se propaga elevando a temperatura e pressão no cilindro, movendo o pistão para baixo. No final do processo, a válvula de exaustão se abre e uma expansão irreversível dos gases da exaustão são “soprados” para fora.

o Exaustão: A válvula de expansão permanece aberta, e o pistão sobe o cilindro, expulsando os gases remanescentes. No final, a válvula é fechada. É seguido pelo processo de admissão reiniciando um novo ciclo.

Figura 4: Motor de Combustão Interna  4 tempos, Ignição por Compressão:

Motores de ignição por compressão normalmente utilizam diesel como combustível. Sua operação é similar a um motor de ignição por centelha, possuindo também quatro tempos (admissão, compressão, expansão e exaustão). No entanto, é somente admitido ar dentro do cilindro e o combustível é injetado dentro dele antes do pistão mover-se até o topo (TDC). A alta temperatura no ar comprimido “incendeia” a mistura ar-combustível.

Este motor possui uma razão de compressão maior e uma mistura ar/combustível estequiométrica mais fraca quando comparado com o motor de ignição por centelha. Estas características lhe garantem uma eficiência melhor e menor emissão de CO.

2.1.4 Armazenadores de Energia

Armazenadores de energia são dispositivos responsáveis por armazenar, distribuir (descarga) e aceitar (carga) energia. Existem diversos tipos de armazenadores de energia para aplicações tanto em carros elétricos quanto híbridos, e incluem: baterias (químicas e inerciais), supercapacitores ou células de combustível (fuel cells). Existem diversos requerimentos para a escolha de um armazenador de energia, tais como: energia especifica,

potência específica, eficiência, requerimentos de manutenção, custo, adaptação ao ambiente e segurança.

 Bateria:

São dispositivos eletroquímicos que conseguem converter energia elétrica em potencial energia química durante a carga, e realizar o processo inverso durante a descarga. É composta por diversas células empilhadas juntas, ligadas em série ou paralelo. Uma célula de bateria consiste de três elementos primários: dois eletrodos (positivo e negativo) imersos em um eletrólito.

Existem dois tipos de baterias: primárias e secundárias. A primária não pode ser recarregada e são desenvolvidas para uma única descarga. As secundárias podem ser recarregadas deixando com que a corrente flua no sentido oposto durante a descarga.

Um parâmetro importante em uma bateria é o estado de carga (state-of-charge, SOC). É definido como a razão entre a capacidade remanescente da bateria com sua capacidade completamente carregada. Uma bateria completamente carregada tem um SOC de 100% e uma completamente descarregada possui um SOC de 0%.

 Supercapacitores:

Consistem de dois eletrodos separados por uma membrana de íon permeável (separador), e um eletrólito ionizado conectando ambos os eletrodos (eletrólito é uma mistura de íons negativos e positivos dissolvidos em um solvente). Quando os eletrodos são polarizados por uma voltagem aplicada, os íons no eletrólito formam uma dupla camada de polaridade oposta. Dependendo do material do eletrodo e da forma da superfície, alguns íons talvez permeiem a dupla camada se tornando íons absorventes.

Supercapacitores são caracterizados pela sua alta potência especifica, porém baixa energia específica quando comparados com as baterias. Durante a frenagem é esperado que os supercapacitores sejam capazes de recuperar altos picos de potência, assim como prover potência para a partida do veículo. É sugerido o uso do supercapacitor como fonte auxiliar de potência junto de uma bateria pelo fato de possuir baixa energia específica e alta dependência de tensão do SOC. Assim, a bateria pode ser projetada para otimizar a energia especifica e ciclos de vida sem se preocupar com a potência especifica. O supercapacitor minimiza a alta corrente proveniente da frenagem regenerativa que é direcionada à bateria, de forma que a energia disponível, resistência e ciclos de vida da bateria podem ser significantemente aumentados.

2.2 Fundamentos do Veiculo

A força trativa, 𝐹𝑡𝑟, na área de contato entre o pneu e superfície da estrada traciona o veículo pra frente. Ela é produzida por um torque de uma fonte energética e transferidas pelos elementos de transmissão até o pneu. Enquanto se move, existe a resistência que tenta para o movimento do veículo. Estas resistências incluem: arrasto aerodinâmico, resistência em uma ladeira (gravidade) e resistência de rolamento.

𝐹_𝑟𝑒𝑠 = 𝐹_𝑔+ 𝐹_𝑟𝑜𝑙+ 𝐹_{𝑎𝑒𝑟𝑜} 𝐸𝑞. 2.1

De acordo com a Segunda Lei de Newton, a aceleração do veículo pode ser escrita como:

𝑑𝑉 𝑑𝑡 =

(∑ 𝐹𝑡𝑟 − ∑ 𝐹𝑟𝑒𝑠)

Onde V e 𝑑𝑣_𝑑𝑡 são respectivamente a velocidade e aceleração do veículo, ∑𝐹𝑡𝑟 é a força total trativa, ∑𝐹_𝑟𝑒𝑠 é a força total de resistência, e 𝑚_𝑣 é a massa total do veículo. A equação 2.2 mostra que tanto a velocidade quanto a aceleração dependem das forças envolvidas e da massa.

Figura 5: Forças envolvidas na propulsão do veículo

2.2.1 Resistências

Como citado anteriormente e mostrado na Figura (5), tem-se que as resistências que se opões ao movimento incluem a resistência de rolamento dos pneus, arrasto aerodinâmico e resistência em uma ladeira. Todas elas serão discutidas em detalhes.

 Resistência em uma ladeira:

Quando um veículo sobe ou desce uma ladeira, seu peso produz uma componente que aponta para o centro da Terra. Esta componente pode se opor ao movimento (subida) ou favorecer o movimento (descida). Esta resistência pode ser expressa como:

𝐹𝑔 = 𝑚𝑣𝑔 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛼) 𝐸𝑞 2.3  Resistencia de rolamento

A resistência de rolamento é produzida pela histerese dos pneus no contato com a estrada. Durante o rolamento, tanto a roda quanto a superfície se deformam devido suas características elásticas, de forma que a força normal seja distribuída de acordo com a nova área de contato, criando um torque que contribui para a desaceleração da roda. A força de resistência de rolamento é tangencial à estrada, e sempre assiste no freio ou retardamento do movimento. Ela pode ser minimizada mantendo as rodas sempre infladas, o que reduz a perda por histerese. Tem-se:

𝐹_𝑟𝑜𝑙 = 𝑚_𝑣𝑔𝐶_𝑟 𝐸𝑞. 2.4 Onde 𝐶𝑟 é o coeficiente de resistência de rolamento, que é dado por: 𝐶_𝑟 = 0,01 (1 + 𝑉𝑖

160) 𝐸𝑞. 2.5

Esta equação é apenas válida para velocidades na faixa de até 128 km/h. Este coeficiente é função do material, estrutura, temperatura e inflação do pneu, material da estrada e da presença ou não de liquido na estrada.

 Arrasto aerodinâmico

A força de arrasto aerodinâmico é resultado da geometria do carro e da fricção entre a superfície do veículo e o fluido pelo qual ele passa. É dada por:

𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 = 𝑉_𝑚𝑖² ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝜌𝑎𝑟∗ 𝐶𝑑 / 2 𝐸𝑞. 2.6

Onde 𝐶_𝑑 é o coeficiente de arrasto aerodinâmico, 𝐴_𝑓 é a área frontal do carro, 𝜌_𝑎𝑟 é a densidade do ar.

Um veículo se movendo empurra o ar para sua frente. Entretanto, o ar não se move instantaneamente e a pressão aumenta criando uma área de alta pressão. O ar atrás do carro não consegue preencher de forma instantânea o espaço deixado pelo carro, criando uma área de baixa pressão. Desta forma, duas zonas de pressão são criadas que se opõe ao deslocamento do veículo, “empurrando” para frente (zona de alta pressão) e “puxando” para trás (zona de baixa pressão).

Um veículo e o ar próximo dele se movimentam quase que na mesma velocidade, enquanto que o ar distante do veículo se encontra parado. A diferença entre a velocidade das moléculas de ar produz uma fricção.

2.2.2 Dinâmica do movimento

Para a direção longitudinal, as principais forças externas que agem sobre os dois eixos do veículo foram citadas anteriormente. A equação dinâmica do veículo pode ser expressa por:

𝑚_𝑣𝑑𝑉

𝑑𝑡 = (𝐹𝑡𝑟𝑑+ 𝐹𝑡𝑟𝑡) − (𝐹𝑟𝑜𝑙𝑑 + 𝐹𝑟𝑜𝑙𝑡 + 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 + 𝐹𝑔) 𝐸𝑞. 2.7

Tanto a força trativa quanto a resistência de rolamento pode ser divido entre as rodas traseiras e dianteiras, como foi feito acima. Quando o veículo tiver tração nas rodas dianteiras, 𝐹𝑟𝑜𝑙𝑡 será nula; quando o veículo tiver tração nas rodas traseiras, 𝐹𝑡𝑟𝑑 será nula.

2.2.3 Potência

A potência requerida da combinação do motor elétrico com o de combustão interna pode ser calculada da seguinte forma:

𝑃 = 𝑇𝑡𝑟𝜔 = 𝐹𝑡𝑟𝑣 𝐸𝑞. 2.8

Onde 𝑇𝑡𝑟 é o torque trativo e 𝜔 é a velocidade angular do pneu. Devem ser levadas em conta as perdas entre o sistema de propulsão e a roda, ou seja, na transmissão e no diferencial.

2.2.4 Energia

É preciso que energia seja fornecida para manter a velocidade constante de um veículo ou acelera-lo. Desta forma, selecionar e desenvolver uma bateria são etapas essenciais para poder cobrir as distâncias desejadas pelo automóvel. A taxa de variação de energia é a própria potência trativa:

𝑃(𝑡) =𝑑𝑒

𝑑𝑡 𝐸𝑞. 2.9

A energia necessária durante um intervalo é calculada a partir da integração da potência instantânea:

∫ 𝑑𝑒 = ∫ 𝑃𝑑𝑡 𝐸𝑞. 2.10

2.2.5 Frenagem Regenerativa

Uma das principais características de um veículo híbrido é sua capacidade de recuperar uma significante quantidade de energia pela frenagem regenerativa. O motor elétrico pode ser controlado a fim de funcionar como gerador que converte energia cinética ou potêncial em energia elétrica que pode ser armazenada e usada posteriormente. O motor funciona como gerador quando a velocidade síncrona é menor do que a do motor (“slip”). Um slip negativo faz com que o torque eletromagnético seja negativo durante a regeneração.

Neste modo, tensões e correntes induzidas no rotor são de polaridade opostas se opondo à sua rotação e assim desacelerando o veículo.

A performance da frenagem é indiscutivelmente um dos fatores mais importantes de segurança. Deseja-se um sistema de frenagem que sempre cumpra com duas demandas distintas: frenagem de emergência (deve-se frenar o veículo na menor distância possível) e manter o controle da direção do veículo. O sistema deve ser capaz de aplicar torque de frenagem em todos os pneus distribuídos de forma igual. Em grandes cidades como Nova York, pode-se chegar a recuperar 70% da energia e estender a autonomia do carro em até 30%.

Geralmente, o torque pra frenar o automóvel é maior do que aquele que um motor elétrico pode produzir. Portanto, o sistema de frenagem mecânica deve coexistir com o elétrico. Logo, é preciso de um projeto adequado e controle de ambos os sistemas de frenagem.

2.2.6 Consumo de Energia

Na propulsão do veículo, para realizar o cálculo da energia que deve ser fornecida, deve-se considerar as perdas, resistências, a eficiência mecânica de transmissão e o desempenho dos circuitos eletrônicos de potência. Portanto, o cálculo da potência fornecida ao sistema é dada por:

𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 = 𝑉_𝑚𝑖 ƞ𝑡ƞ𝑚∗ (𝑀𝑔𝐶𝑑+ 𝜌𝑎𝑟𝐶𝑑𝐴𝑓𝑉_𝑚𝑖2 2 + 𝑘𝑀𝑑𝑉 𝑑𝑡 ) 𝐸𝑞. 2.11 Onde ƞ𝑡 e ƞ𝑚 são as eficiências de transmissão e dos respectivos motores.

Na equação anterior, só é considerada a carga que sai da bateria e não a carga que recuperada como produto da frenagem regenerativa. A potência regenerada pode ser expressa da seguinte maneira:

𝑃_{𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎} = 𝑉_𝑚𝑖∗ (𝑀𝑔𝐶_𝑑+𝜌𝑎𝑟𝐶𝑑₂𝐴𝑓𝑉𝑚𝑖2 +𝑘𝑀𝑑𝑉_𝑑𝑡 ) 𝐸𝑞. 2.12

Onde  é uma aproximação do percentual da energia de frenagem que pode ser regenerada pelo motor elétrico, conhecido como fator de frenagem regenerativa.

Assim o consumo de energia é dado pela seguinte equação:

𝐸𝑠𝑎𝑖𝑑𝑎 = ∫ 𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑡 + ∫ 𝑃𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑡 𝐸𝑞. 2.13

2.2.7 Eficiência Energética

A eficiência energética é descrita como:

ƞ = 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎

𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝐸𝑞. 2.14

A quantidade de energia consumida é aquela que os pneus necessitam para transladar de um ponto até outro. A quantidade de energia fornecida é a que sai do motor levando-se em consideração as eficiências dele e a de transmissão.

2.2.8 Combustível Consumido:

Para obter a quantidade de combustível, dividimos a quantidade de energia fornecida ao motor de combustão interna pelo poder calorífico do combustível.

𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 = 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑀𝐶𝐼

2.3 Ciclo de Condução Urbana 2.3.1 New York City Cycle

Este ciclo simula a condução em velocidades baixas a nível urbano e com frequentes paradas. Alcança uma velocidade máxima de cerca de 44,6 km/h e uma velocidade média de 11,4 km/h. Sua duração é de 598 segundos [10].

Gráfico 1: New York City Cycle

3. Objetivo

O objetivo deste projeto é desenvolver um kit elétrico, a partir do qual um veículo elétrico híbrido passaria a funcionar. Esse kit é composto por um motor elétrico e uma bateria.

Foi determinado o consumo energético de um veículo elétrico híbrido em um percurso, conhecido como New York City Cycle. A determinação do consumo foi feita mediante os dados estimados e com base em dados fornecidos por estudos experimentais (coletados no ciclo citado).

Com o estudo do consumo energético do veículo, foi determinada uma velocidade limite. Abaixo dela o carro deve funcionar utilizando energia elétrica, ou seja, a partir do motor elétrico. Acima da velocidade limite o veículo deve funcionar a partir do motor de combustão interna utilizando energia térmica.

Ajusta-se a velocidade limite de forma a encontrar um maior aproveitamento energético para o sistema, visando o menor consumo de combustível e consequentemente, maior quantidade de ciclos que pode ser realizada sem que a energia na bateria se esgote.

4. Modelo de Simulação

A modelagem do veículo elétrico híbrido surge como parte dos objetivos propostos anteriormente. Assim, se realiza uma descrição de um sistema de propulsão elétrico híbrido, baseando-se nas características do veículo Peugeot 208.

Fez-se um estudo do consumo de energia no percurso New York City Cycle, estabelecendo uma velocidade limite na qual abaixo dela o veículo se move a partir do motor elétrico, e acima dela se movimenta a partir do motor a combustão interna. Desta forma, pode-se estabelecer o quanto de combustível será consumido.

-10 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500 600 Veloc id ad e ( km /h ) Tempo (s)

New York City Cycle

4.1 Especificações dos Elementos e Condições de Teste

Abaixo se encontra os dados referentes aos elementos utilizados para a simulação [5,8,9].

 Motor Elétrico:

Tabela 1: Dados do Motor Elétrico

Motor Elétrico

Marca LMC

Modelo LEM-200-127

Tipo DC com Escovas

Pico de Potência (kW) 25,38

Pico de Eficiência 0,92

Pico de Corrente (A) 400

Potência Nominal (kW) 12,56

Velocidade Nominal (rpm) 3600

Tensão Nominal (V) 72

Corrente Nominal (A) 200

Torque Nominal (Nm) 33,3

Preço (US$) 1600

Peso (kg) 11

 Célula para Bateria:

Tabela 2: Dados da Célula de Bateria

Célula

Modelo High Power LFP Polymer Cell: 3.2V 15Ah

Comprimento (m) 0,2015 Altura (m) 0,0087 Largura (m) 0,123 Volume (m³) 0,000215625 Peso (kg) 0,382 Preço (US$) 39,95 Capacidade (Ah) 15 Corrente (A) 30 Energia (kWh/kg) 0,1263 Voltagem (V) 3,2

Ciclos (vida útil) 2000

 Motor Combustão Interna:

Tabela 3: Dados do Motor de Combustão Interna

Motor de Combustão Interna

Capacidade Cubica (cc) 1598

Potência máxima (hp) / Velocidade angular (rpm) 208 / 6000

Velocidade máxima (km/h) 230

Torque (Nm) / Velocidade Angular (rpm) 300 / 3000

Volume (L) 50

Sistema de Combustível Injeção Direta

 Dimensões do Carro: Tabela 4: Dados do Veículo

Carro Veículo Peugeot 208 Altura(m) 1,45 Largura(m) 1,829 Comprimento(m) 3,962 Área Frontal (m²) 2,25 Massa do Carro (kg) 1160 Massa total (kg) 1460  Condições de Teste: Tabela 5: Condições de Teste

Condições

Densidade do ar (kg/m³) 1,184 Coeficiente de Arrasto 0,296 Aceleração da Gravidade (m/s²) 9,81

Massa das Pessoas (kg) 75

Número de Pessoas 4

Eficiência de transmissão 0,9 Eficiência do MCI 0,1

Eficiência do ME 0,8 5. Resultados/Discussões

A avaliação do protótipo será feita mediante a uma simulação do comportamento e consumo de energia de um veículo, para o New York City Cycle. Serão avaliados:

 Energia consumida e fornecida ao veículo durante sua movimentação.

 Energia recuperada pela frenagem regenerativa.

 Quantidade de combustível consumido.

 Distância percorrida.

 Eficiência do sistema híbrido.

 Preço/Custos.

Para o cálculo dos custos de energia, em dólar, foram considerados o preço da energia elétrica segundo a Light e o preço da gasolina segundo a ANP. Seus valores são

respectivamente 0,2 US$/kWh e 1,35 US$/L, e atualizados em 19 de Julho de 2016 [6,7]. A partir das especificações e condições consideradas, dado o ciclo escolhido, pode-se obter os gráficos e resultados apresentados a seguir.

Gráfico 2: Potência necessária para movimentar o veículo durante o ciclo NYCC. O gráfico acima representa a potência associada ao movimento do veículo. Com as forças envolvidas na movimentação e a velocidade, pode-se obter o resultado descrito.

Gráfico 3: Potência necessária dividida entre ambos os motores.

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 100 200 300 400 500 600 Pot ê n ci a ( kW) Tempo (s)

Potência (kW)

Potência (kW)

Gráfico 4: Potência referente a cada força.

Gráfico 5: Verificação do motor elétrico dada uma velocidade limite (35 km/h).

O gráfico acima representa a potência instantânea associada à velocidade do veículo durante o percurso. Estabelecendo uma velocidade limite e com a potência de pico do motor elétrico, é possível perceber o quanto o motor consegue suprir de demanda. Para este caso, é perceptível a presença de pontos acima do limite de potência, significando que demoraria mais tempo para o motor conseguir atingir esta velocidade.

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 100 200 300 400 500 600 700 Pot ê n ci a ( kW) Tempo (s)

Potências (kW)

2ª Lei de Newton Arrasto Aerodinâmico Resistência ao Rolamento Total

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 -10 0 10 20 30 40 50 Pot ê n ci a ( kW) Velocidade (km/h)

Potência (kW) x Velocidade (km/h)

Gráfico 6: Comportamento da bateria dado um ciclo NYCC com frenagem regenerativa dados diferentes FRE.

O gráfico acima apresenta o comportamento da bateria durante um ciclo NYCC. As diferentes curvas demonstram um comportamento diferente para um fator regenerativo diferente (FRE). Todas as “rampas positivas” no Gráfico 2 representam a aceleração do veículo, ou seja, descarga da bateria. As “rampas negativas” representam a desaceleração do veículo, momento em que a frenagem regenerativa atua, recarregando o veículo.

Gráfico 7: Quantidade de Energia necessária considerando ambos os motores para diferentes velocidade limites. -1195,90 -982,66 -840,50 -769,42 -698,33 -1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Pot ê n ci a ( kW) tempo (s)

Comportamento da Bateria em um ciclo

0 0,3 0,5 0,6 0,7 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 En e rg ia (k J) Vlim (km/h)

Gráfico 8: Eficiência do sistema híbrido para diferentes velocidades limites.

É possível observar que com o aumento da velocidade limite, o veículo se torna cada vez mais dependente do motor elétrico. O motor elétrico é mais eficiente do que o motor de combustão interna, e por este motivo, quanto maior for a velocidade limite, menor será a energia total fornecida ao veículo pelos motores, e desta forma, o sistema híbrido será mais eficiente.

Gráfico 9: Quantidade de energia recuperável dados diferentes FRE.

Como citado anteriormente, a energia recuperável ocorre nos momentos de desaceleração (rampas negativas) e depende também da eficiência do sistema para recuperar energia. Acima é mostrado o quanto de energia pode ser recuperado para diferentes valores do fator de recuperação energética.

 Teste 1: 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Efi ci ê n ci a Velocidade Limite (km/h)

Eficiência x Velocidade Limite (km/h)

0 200 400 600 800 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 En e rg ia R e cu p e rav e l (k J) FRE

Energia Recuperável (kJ) x FRE

Velocidade Limite = 20 km/h 1 Ciclo ME MCI Deslocamento (km) 0,60 1,29 Energia Consumida (kJ) 355,75 683,89 Energia Fornecida (kJ) 494,10 7598,82 Combustível (L) - 0,24 Preço (US$) 0,025 0,33 Eficiência Sistema 0,128

Tabela 6: Resultados para Velocidade Limite de 20 km/h.  Teste 2: Velocidade Limite = 35 km/h 1 Ciclo ME MCI Deslocamento (km) 1,50 0,39 Energia Consumida (kJ) 861,05 178,59 Energia Fornecida (kJ) 1195,90 1984,38 combustível (L) - 0,063 Preço (US$) 0,067 0,086 Eficiência Kit 0,327 Caso 1 (25 ciclos)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Quantidade de Célula 142 132 121 111 101

Energia Disponível (kJ) 24566,58 22789,55 21012,53 19235,51 17458,48 Volume da Bateria (m³) 0,0306 0,0284 0,0260 0,0239 0,0217 Preço da Bateria (US$) 5672,90 5273,40 4833,95 4434,45 4034,95 Peso da Bateria (kg) 54,24 50,42 46,22 42,40 38,58

Caso 1 (25 ciclos)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,65

Quantidade de Célula 41 31 20 10 5

Energia Disponível (kJ) 7021,47 5244,45 3467,43 1690,40 801,89 Volume da Bateria (m³) 0,00884 0,00668 0,00431 0,00216 0,00108 Preço da Bateria (US$) 1637,95 1238,45 799,00 399,50 199,75 Peso da Bateria (kg) 15,66 11,84 7,64 3,82 1,91

Caso 2 (30 km - 15 ciclos)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,65

Quantidade de células 26 20 13 7 4

Energia Disponível (kJ) 4457,70 3339,02 2220,35 1110,51 570,15 Volume da Bateria (m³) 0,00561 0,00431 0,00280 0,00151 0,00086

Preço da Bateria (US$) 1038,70 799,00 519,35 279,65 159,80 Peso da Bateria (kg) 9,93 7,64 4,97 2,67 1,53

Caso 3 (17 células)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,65

Energia Disponível (kJ) 2952,69 2952,69 2952,69 2952,69 2952,69 Volume da Bateria (m³) 0,00366 0,00366 0,00366 0,00366 0,00366 Preço da Bateria (US$) 679,15 679,15 679,15 679,15 679,15

Peso da Bateria (kg) 6,49 6,49 6,49 6,49 6,49 Deslocamento Total (km) 19,61 26,59 39,92 82,18 174,76

Caso 2 (30 km - 15 ciclos)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Quantidade de células 90,00 84,00 77,00 71,00 64,00 Energia Disponível (kJ) 15538,86 14420,19 13301,52 12182,84 11064,17 Volume da Bateria (m³) 0,0194 0,0181 0,0166 0,0153 0,0138

Preço da Bateria (US$) 3595,50 3355,80 3076,15 2836,45 2556,80 Peso da Bateria (kg) 34,38 32,09 29,41 27,12 24,45

Caso 3 (60células)

Fator de Recuperação Elétrica (β)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Energia Disponível (kJ) 10421,26 10421,26 10421,26 10421,26 10421,26 Volume da Bateria (m³) 0,0129 0,0129 0,0129 0,0129 0,0129

Preço da Bateria (US$) 2397 2397 2397 2397 2397

Peso da Bateria (kg) 22,92 22,92 22,92 22,92 22,92 Deslocamento Total (km) 20,02 21,53 23,42 25,56 28,15

Quantidade de ciclos 10 11 12 13 14

Tabela 7: Resultados para Velocidade Limite de 35 km/h.

As tabelas acima mostram dois casos testados para simulação, um com velocidade limite igual a 20 km/h e outro com 35 km/h. São apresentados resultados para o caso de apenas um ciclo e para três casos diferentes, que ocorrem até a descarga completa da bateria, com número fixo ciclos, distância e células de bateria.

6. Conclusão / Recomendações

O desenvolvimento de veículos híbridos é considerado um processo importante e bastante promissor para a indústria automobilística. A diminuição da emissão de gases poluentes e economia de recursos energéticos não renováveis são aspectos levados em consideração.

Um estudo teórico foi desenvolvido a fim de analisar o custo envolvido no deslocamento do veículo escolhido, utilizando tanto o motor de combustão interna quanto o kit elétrico. Realizaram-se testes e simulações no software Microsoft Excel 2010 com o intuito de estudar o consumo de energia de cada um dos motores para uma dada velocidade limite.

O estudo demonstra que um veículo híbrido, utilizando o kit proposto, é mais eficiente energeticamente assim como economicamente quando comparado com um sistema de propulsão puramente térmico. O motor elétrico por ser mais eficiente, principalmente em baixas velocidades, proporciona estes resultados, além do preço da energia elétrica ser menor comparado com a da gasolina.

A frenagem regenerativa permite a recarga da bateria em desacelerações do veículo, estendo sua autonomia, assim como reduzindo o custo por ciclo. A eficiência do sistema de regeneração depende de alguns fatores, tais como: temperatura e SOC da bateria, velocidade e força da frenagem do veículo.

De forma geral, a escolha de uma velocidade limite alta reduz a quantidade de combustível consumido por ciclo, assim como o custo para realizá-lo, além de também tornar o sistema mais eficiente. Para os casos onde se determina uma distância fixa de trajeto (casos

1 e 2 descritos em Resultados/Discussões), se observa que para uma velocidade limite alta, necessita-se de mais células, e assim uma bateria maior será dimensionada significando custo, peso e volume maiores. Para o caso onde se determina uma quantidade fixa de células, a escolha de uma velocidade limite alta significa uma autonomia menor do veículo apesar da eficiência maior.

Desta forma, se conclui que a escolha de uma velocidade limite alta traria grande economia de consumo energético, dado o menor consumo de combustível. Porém, seria preciso projetar uma bateria maior, tornando o kit elétrico mais caro. A frenagem regenerativa é uma ótima opção para se contornar o problema de autonomia do uso do kit, além de torná-lo também mais eficiente. A adição do supercapacitor ao kit torna a frenagem regenerativa mais eficiente, devido ao fato dele possuir maior potência específica, ou seja, ser capaz de aceitar e descarregar altos valores de potência em pouco tempo, e também proteger a bateria dos altos valores de tensão e corrente envolvidos no processo.

7. Bibliográfia

[1] HUSAIN, I. Electric and Hybrid Vehicles – Design Fundamentals.

[2] EHSANI, M.; GAO, Y.; EMADI, A. Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell

Vehicles.

[3] Sánchez, Fernando Zegarra, “Eficiência Energética de Veículos Elétricos Híbridos em

Série”.

[4]Freitas, Daniel Zacarias, “Análise de Eficiência e Controle de um Sistema Integrado

Roda-Motor Elétrico”.

[5] Manual do Carro Peugeot. Disponível em

<http://public.servicebox.peugeot.com/ddb/?_ga=1.198669423.1910283295.1427412242#top >

[6] Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em

<http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=493>

[7] Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Disponível em <http://www.anp.gov.br/preco/>

[8] Folheto Descritivo do Motor Elétrico LEM-200, Disponível em < http://lynchmotors.co.uk/pdfs/lmc-lem-200.pdf>

[9] Dados Referentes à Célula de Bateria, Disponível em

<http://www.batteryspace.com/High-Power-LFP-Polymer-Cell-3.2V-15Ah-87122200-2C-48Wh-30A-rate.aspx >

[10] Dados referentes ao NYCC, Disponível em