Source: Key World Energy Statistics 2007, IEA

(1)

Departamento

Departamentode Engenharia Electrotécnicade Engenharia Electrotécnica

Rua Pedro Nunes

Rua Pedro Nunes –– Quinta da NoraQuinta da Nora

P P--30303030--199 COIMBRA199 COIMBRA 1 P P--30303030--199 COIMBRA199 COIMBRA PORTUGAL PORTUGAL

Projecto VEIL: Veículo Eléctrico… Projecto VEIL: Veículo Eléctrico…

1.As

1.As JornJorn. Eng. . Eng. ElectrElectr., ISEC, 22 Abril 2009., ISEC, 22 Abril 2009

Paulo Pereirinha, [email protected]

Motivações

O ISEC é Associado fundador da Associação

Portuguesa do Veículo Eléctrico, APVE

Projecto congregando várias áreas da EE

2

É nossa convicção que a Mobilidade Sustentável

passará forçosamente pela Tracção Eléctrica,

nomeadamente pelos Veículos Eléctricos Autónomos!

Porquê?

1.As

Motivações

Consumo de petróleo pelo sector dos transportes:

1973: 40,5%

2005: 60,3% 2006: 60,5% …

Motivações

Consumo crescente => problemas no fornecimento e

subida de preço. US$ 100?

Source: Key World Energy Statistics 2007, IEA

Julho09:

US$ 147!

Hoje?

US$ ?

(2)

Motivações

Preocupações muito graves de dependência

energética e segurança

Petróleo (crude),

principalmente

de países do

médio oriente

5

médio oriente

e/ou instáveis

1.As

Motivações

Na União Europeia (EU), entre 1970 e 2000, a

mobilidade de passageiros duplicou:

Aumento das emissões poluentes, com efeitos locais

e globais;

Em Portugal, o sector dos transportes representa

30% das Emissões de Gases de Efeito de Estufa

6

30% das Emissões de Gases de Efeito de Estufa

(GEE), tendo sido o sector com maiores aumentos na

última década (70%).

De entre os vários transportes, o modo rodoviário é

aquele com maior contributo para os GEE (80%);

Os ligeiros de passageiros representam 50% dos

transportes rodoviários.

1.As

Motivações

cont.

Em

Em termos

termos de

de poluição,

poluição, se

se nada

nada for

for feito

feito para

para inverter

inverter aa actual

actual

tendência

tendência na

na UE,

UE, os

os transportes,

transportes, em

em 2010

2010,, serão

serão responsáveis

responsáveis

por

por 40

40 %

% das

das emissões

emissões de

de CO

CO

22 ,, comprometendo

comprometendo aa estratégia

estratégia

contra

contra o

o aquecimento

aquecimento global

global lançada

lançada após

após o

o acordo

acordo de

de Quioto

Quioto

em

em 1997

1997..

NO: monóxido de azoto HC: hidrocarbonetos (metano, ...) CO: monóxido de carbono (falta representar o SO2) NO2: dióxido de azoto O3: ozono

Motivações

cont.

Próximos

Próximos 25

25 anos

anos:: prevê

prevê--se

se uma

uma concentração

concentração de

de 550

550 partes/milhão

partes/milhão de

de CO

CO22 em

em volume

volume na

na atmosfera

atmosfera (i

(i..ee.. o

o dobro

dobro do

do

valor

(3)

Motivações

Utilização maciça de veículos com motor de

combustão interna (VMCI), aumenta emissões de

poluentes => gases de efeito de estufa

Emissões de VMCI uma causa principal de poluição

urbana => problemas de saúde

1.As

1.As JornJorn. Eng. . Eng. ElectrElectr., ISEC, 22 Abril 2009., ISEC, 22 Abril 2009 9 Can we make a difference as Engineers? Health effects of traffic related air pollution,

Michael Lampérth, EET2007, Brussels Luc Int Panis & Rudi Torfs, EET2007, Brussels

Motivações

VEs

VEs porquê?

porquê?

Consumo de combustível da

Consumo de combustível da FonteFonte--àà--UtilizaçãoUtilização Emissões de GEEEmissões de GEE

1.As

1.As JornJorn. Eng. . Eng. ElectrElectr., ISEC, 22 Abril 2009., ISEC, 22 Abril 2009 10 Viable and Sustainable Energy Strategies Grounded on Source-to-Service Analyses: A Perspective of the Role of Fuel Cells in Transportation”, Jan H. J. Thijssen, Lucerne Fuel Cell Forum 2004

-Resources: P = Petroleum; B = Biomass; NG=Natural Gas; W = Wind; GT = Natural Gas Turbine; * = renewable

-Energy Carriers: G = Gasoline; D = Diesel; E = Ethanol; BFTD = Bio Fischer-Tropsch Diesel; CH2 = Compressed Hydrogen; LH2 = Liquid Hydrogen; E = Electricity

-Powertrains: SI = Spark Ignition; CI = Compression Ignition; SIHEV = Spark Ignition Hybrid Electric; CIHEV; Compression Ignition Hybrid Electric; FCV = Fuel Cell;

BEV = Battery Electric

VEIL

VEIL –– Veículo Eléctrico Isento de Licença

Veículo Eléctrico Isento de Licença

Utilização

Utilização típica

típica dos

dos carros

carros na

na Europa

Europa:: distância

distância média

média

percorrida

percorrida por

por cada

cada pessoa

pessoa éé de

de 35

35 quilómetros

quilómetros por

por dia,

dia,

distribuindo

distribuindo--se

se por

por 55,,55 viagens

viagens ee que

que 52

52%

% das

das viagens

viagens não

não

excedem

excedem 33 quilómetros

quilómetros..

Assim,

Assim, plataforma

plataforma escolhida

escolhida baseado

baseado em

em::

Distâncias

Distâncias curtas

curtas ee de

de repetição

repetição diária

diária;;

VEIL

VEIL –– Veículo Eléctrico Isento de Licença

Veículo Eléctrico Isento de Licença

Viagem

Viagem do

do tipo

tipo Casa

Casa--Trabalho

Trabalho--Casa

Casa

Uso

Uso típico

típico para

para percursos

percursos urbanos

urbanos;;

Um veículo ideal para utilizadores cuja necessidade

semanal do seu carro se insere neste conceito.

(4)

CHASSIS de um LIGIER 162 GL de 1995

2 Lugares 2 Lugares Pequenas Dimensões: 2,47 x 1,40 x 1,52 m; Pequenas Dimensões: 2,47 x 1,40 x 1,52 m; Volume da bagageira: 400 Volume da bagageira: 400 ltlt;; Capacidade do depósito: 17 Capacidade do depósito: 17 lt.lt. Motor Original:

Motor Original: Diesel atmosféricoDiesel atmosférico LombardiniLombardini 4 tempos;4 tempos;

(Cilindrada de 505

(Cilindrada de 505 cccc; Potência 4 kW (5.4 ; Potência 4 kW (5.4 CvCv); ); Velocidade máxima: 45 km/h, 3100 rpm; Binário Máximo: 15,1

Velocidade máxima: 45 km/h, 3100 rpm; Binário Máximo: 15,1 NmNm às 2340 rpm;)às 2340 rpm;)

Metodologia

1.As

13 Velocidade máxima: 45 km/h, 3100 rpm; Binário Máximo: 15,1

Velocidade máxima: 45 km/h, 3100 rpm; Binário Máximo: 15,1 NmNm às 2340 rpm;)às 2340 rpm;)

Configuração utilizada na transformação

2 1 2 DA D F V F = ρ⋅C ⋅A ⋅V

( )

sin F =mg⋅ θ

Forças Aplicadas ao Veículo:

Sistema de Tracção

( )

R T =f ω

Dimensionamento de força motriz:Dimensionamento de força motriz:

N.º de Quadrantes de Funcionamento;N.º de Quadrantes de Funcionamento;

Característica ;Característica ;

Velocidade de funcionamento;Velocidade de funcionamento;

Aceleração e Desaceleração.Aceleração e Desaceleração.

14 RR RR F =µ ⋅mg

( )

sin I F =mg⋅ θ R R R R F =µ ⋅m g

As principais características para este accionamento: Facilidade de utilização; Reduzidas dimensões; Bom rendimento; Excelente fiabilidade; Simplicidade de manutenção. Potência;Potência;

Gama de Velocidades;Gama de Velocidades;

Binário de arranque;Binário de arranque;

Binário máximo;Binário máximo;

1.As

Com

Com os

os conversores

conversores electrónicos

electrónicos aa utilização

utilização de

de motores

motores assíncronos

assíncronos

trifásicos

trifásicos na

na tracção

tracção eléctrica

eléctrica tornou

tornou--se

se mais

mais simples

simples ee viável

viável..

Este

Este tipo

tipo de

de motor

motor eléctrico

eléctrico apresenta

apresenta algumas

algumas vantagens

vantagens::

Simplicidade,

Simplicidade, RobustezRobustez ee PraticamentePraticamente IsentosIsentos dede ManutençãoManutenção;; É

É menosmenos volumosovolumoso ee pesadopesado Tem

Tem umauma grandegrande resistênciaresistência àsàs sobrecargassobrecargas;; Velocidades

Velocidades dede rotaçãorotação maismais elevadaselevadas;;

Sistema de Tracção

Cont.

Velocidades

Velocidades dede rotaçãorotação maismais elevadaselevadas;; É

É bastantebastante tolerantetolerante aosaos ambientesambientes severosseveros ee dede fortesfortes vibraçõesvibrações;;

••

Motor

Motor assíncrono

assíncrono trifásico

trifásico industrial

industrial de

de 400

400 V,

V, 50

50 Hz,

Hz, 44 kW,

kW, 2860

2860

rpm

rpm..

••

VEV

VEV:: controlador

controlador vectorial,

vectorial, para

para utilização

utilização em

em sistemas

sistemas industriais

industriais..

••

A

A alimentação

alimentação do

do VEV

VEV éé feita

feita directamente

directamente aa partir

partir do

do seu

seu

barramento

barramento DC,

DC, com

com uma

uma tensão

tensão compreendida

compreendida entre

entre 550

550 ee 800

800 V

V..

Tipo de

Bateria baterias em série Tensão x Nº Capacidade Ah (C/3) Energia total kWh (C/3) Massa kg Volume dm3 Custo € Chumbo--Ácido 12 x 8 = 96 V (55 a C/20) (7,9 a C/20) 159,2 69,5 1200 NiCd 6 x 16 = 96 V 100 9,6 206,4 123,8 9200 NiMH 12 x 8 = 96 V 100 9,6 148,8 70,4 18400

Comparação do conjunto de baterias para obter 96 V, a C/3.

Armazenamento de Energia

NiMH 12 x 8 = 96 V 100 9,6 148,8 70,4 18400 Li-ion 10, 8 x 9 = 97,2 V 84 8,2 72,0 50,9 ₁₈₄₀₀₎ (>> NiMH- VH module 12 x 8 = 96 V 13,5 (a 2C) 2,9 (a C/1,5) 48 27,2 2200

Super High Energy NiMH Super High Energy NiMH battery module battery module da SAFT.da SAFT.

(5)

Armazenamento de Energia

Dois conjuntos em

paralelo, de 8 baterias em

série.

Autonomia 25 a 35 km (45

17

Autonomia 25 a 35 km (45

a 60 km com recuperação

de energia)

Peso total de 48 kg,

volume de 27,2 dm

volume de 27,2 dm33

Custo ~ 2200

Custo ~ 2200 €€..

1.As

Sistemas Auxiliares

PAINÉIS

PAINÉIS FOTOVOLTAICOS

FOTOVOLTAICOS::

Alta fiabilidade (não tem peças móveis);Alta fiabilidade (não tem peças móveis);

Fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos (permite montagens simples e Fácil portabilidade e adaptabilidade dos módulos (permite montagens simples e adaptáveis a várias necessidades energéticas);

adaptáveis a várias necessidades energéticas);

Custo de operação reduzido, pois a manutenção é quase inexistente.Custo de operação reduzido, pois a manutenção é quase inexistente.

Adicionalmente, a tecnologia Adicionalmente, a tecnologia fotovoltaicafotovoltaica apresenta qualidades ecológicas, pois o apresenta qualidades ecológicas, pois o

produto final é silencioso e não poluente. produto final é silencioso e não poluente.

Neste projecto, a energia solar é encarada como um complemento, existindo vantagens Neste projecto, a energia solar é encarada como um complemento, existindo vantagens

em conciliá

em conciliá--la com outras tecnologias, podendo contribuir para recarregar as baterias la com outras tecnologias, podendo contribuir para recarregar as baterias e melhorar a autonomia do veículo.

e melhorar a autonomia do veículo.

18

Jan Fev Mar Apr May

Jun Jul AugSepOut Nov Dec

0 5 10 15 20 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Moth of Year Hour of Day N o rm a l S o la r R ad ia tio n [W h /m ²] 5 painéis de 30 W: 5 painéis de 30 W: 8h + 1000 W.h 8h + 1000 W.h

1.As

1.As JornJorn. Eng. . Eng. ElectrElectr., ISEC, 22 Abril 2009., ISEC, 22 Abril 2009 e melhorar a autonomia do veículo.

e melhorar a autonomia do veículo.

Sistema Sistema fotovoltaicofotovoltaico em estudo (área disponível no tejadilho, níveis de energia nas em estudo (área disponível no tejadilho, níveis de energia nas

baterias e o peso) baterias e o peso)

Sistemas Auxiliares

REGENERAÇÃO

REGENERAÇÃO DE

DE ENERGIA

ENERGIA (TRAVAGEM)

(TRAVAGEM)::

Actualmente, com as tecnologias disponíveis, a travagem regenerativa

poderá permitir aumentar a autonomia de um veículo cerca de 30%.

A utilização exclusiva de baterias não permite recuperar toda a energia

proveniente da regeneração, pois é necessário limitar a sua corrente máxima

de carga.

Adicionando um banco de

Adicionando um banco de supercondensadores

supercondensadores é possível recuperar quase

é possível recuperar quase

a totalidade de energia regenerada.

Sistemas Auxiliares

Os

Os supercondensadores

supercondensadores podem fornecer energia nos períodos de

podem fornecer energia nos períodos de

aceleração, permitindo que a potência de pico, antes exigida totalmente às

baterias, seja agora repartida.

O sistema de força motriz permite a regeneração de energia de forma

simplificada, bastando que o binário resistente aplicado ao motor passe a

binário motor e que o accionamento entre em modo de regeneração de

energia, injectando

energia, injectando--a no barramento DC, a partir do qual o VEV é alimentado.

a no barramento DC, a partir do qual o VEV é alimentado.

(6)

Conversor DC

Conversor DC--DC

DC

Necessidade de Elevar/reduzir os níveis de tensãoNecessidade de Elevar/reduzir os níveis de tensão

Elevar o nível de tensão para Elevar o nível de tensão para valores aceitáveis pelo VFD valores aceitáveis pelo VFD

Pack de Baterias: 96V

Barramento DC do VEV: 550 to 800V

NECESSIDADE DE UM CONVERSOR BI

NECESSIDADE DE UM CONVERSOR BI--DIRECTIONAL DIRECTIONAL REDUTOR

REDUTOR / / ELEVADORELEVADOR Conversor

Conversor DCDC--DCDC ElevadorElevador (Boost)(Boost).. Conversor

Conversor DCDC--DCDC redutorredutor (Buck)(Buck)

Para armazenar a energia da Para armazenar a energia da travagem regenerativa deve travagem regenerativa deve--se se

efectuar a operação oposta efectuar a operação oposta

21 C1 C2 INDUCTOR IGBT1 IGBT2 D2 D1 from/to VFD from/to BATs or SCs CTRL1 CTRL2 Modo redutor Modo Elevador REDUTOR

REDUTOR / / ELEVADORELEVADOR (BUCK

(BUCK --BOOST)BOOST)

1.As

Controlo de Tracção

Informar

Informar oo sistemasistema dasdas posiçõesposições dosdos pedaispedais ee dodo inversorinversor do

do sentidosentido dede marchamarcha;; Sensores

Sensores dede posiçãoposição (potenciómetros)(potenciómetros);; Detector

Detector dede posiçãoposição.. A

A trocatroca dede informaçõesinformações entreentre osos diversosdiversos sistemassistemas (sensores,

(sensores, potenciómetros,potenciómetros, detectoresdetectores dede posição,posição, VEV)VEV) éé feita

feita atravésatravés dede umauma rederede dede comunicaçõescomunicações (CAN(CAN --Controller

Controller AreaArea Network)Network).. Rede

Rede CANCAN:: soluçãosolução parapara evitarevitar aa proliferaçãoproliferação dede caboscabos

22

Reside o

Reside o softwaresoftware responsável pela responsável pela aquisição, tratamento de dados, aquisição, tratamento de dados, determinação da velocidade (rampas de determinação da velocidade (rampas de aceleração), parametrização das mensagens aceleração), parametrização das mensagens

de comando e leitura do VEV de comando e leitura do VEV Atendendo às suas características

Atendendo às suas características modulares, pode ser distribuído por modulares, pode ser distribuído por todo o VE (baterias, painéis solares, todo o VE (baterias, painéis solares, conversores, Gestor de Energia, Painel conversores, Gestor de Energia, Painel

de instrumentos e registador de de instrumentos e registador de

eventos) eventos) Rede

Rede CANCAN:: soluçãosolução parapara evitarevitar aa proliferaçãoproliferação dede caboscabos utilizados

utilizados nana interligaçãointerligação dede umum númeronúmero crescentecrescente dede unidades

unidades electrónicaselectrónicas dede controlocontrolo (ECU(ECU –– ElectronicElectronic Control