ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA DE UM KIT
ELÉTRICO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES
Aluno: José Eduardo Sanson Portella de Carvalho Orientador: Carlos Valois
1. Introdução / Motivação
Com o decorrer dos anos, a indústria de fabricação e desenvolvimento de veículos cresceu de forma exponencial. Contanto, o grande aumento no número de automóveis em uso pelo mundo tem causado sérios problemas para o meio ambiente e para o desenvolvimento sustentável da humanidade, como: poluição do ar, aquecimento global e o esgotamento de recursos na Terra.
Atualmente, todos os veículos dependem 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 derivados. 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, certa quantidade de óxido de nitrogênio, monóxido de carbono e outros poluentes que são nocivos à saúde humana. A indústria automobilística é responsável pela emissão de cerca de 30% dos poluentes.
O aquecimento global é resultado do efeito estufa induzido pelos gases citados anteriormente na atmosfera. 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 vem desenvolvendo o uso de 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, e que ainda por cima sejam menos poluentes. Durante as ultimas 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 convencionais. Até agora, os veículos híbridos se mostraram bastante promissores, utilizando motor de combustão interna, motor elétrico e bateria, o que acarreta em uma eficiência muito maior comparado aos carros convencionais.
2.1 Veículos Híbridos
O veículo elétrico híbrido utiliza além da fonte elétrica, outra fonte de energia para propulsionar o veículo. Convencionalmente, a segunda fonte de energia é um motor de combustão interna. É visto como uma solução para o problema da poluição do meio ambiente pelo fato de usarem uma fonte de energia mais limpa.
2.1.1 Tipos de híbridos
Existem quatro tipos de arquiteturas do sistema de propulsão para um veículo híbrido [3]. São elas:
Arquitetura em Série:
A tração mecânica é obtida através do motor elétrico, mas a energia necessária para aciona-lo, é resultado da combinação de duas ou mais fontes de energia independentes entre si. Um reservatório de combustível armazena energia, que aciona o sistema de geração de energia elétrica (motor a combustão), que por sua vez aciona um gerador elétrico. A energia pode seguir para o motor elétrico que propulsiona o veiculo, ou para a bateria onde é armazenada.
Arquitetura em Paralelo:
Consiste de uma combinação de dois tipos de tração. O motor a combustão interna e o elétrico agem de forma conjunta por acoplamentos mecânicos, a fim de tracionar o automóvel. É possível inverter o fluxo de potência de forma que o motor elétrico passe a operar como gerador. Ou seja, as baterias podem ser carregadas mediante o sistema regenerativo durante a frenagem.
Arquitetura em Série – Paralelo:
Com o decorrer dos anos, foram descobertas vantagens da combinação da configuração série com a configuração em paralelo. Desta forma, o motor é utilizado para carregar a bateria, que pode vir a ser carrega em tempo de espera prolongada.
Arquitetura Complexa:
Possui uma estrutura similar ao em série-paralelo. A diferença é que a função do acoplamento elétrico se move desde o conversor de energia, e se adiciona, entre o gerador e a bateria, um conversor de maior potência.
2.1.2 Motor Elétrico
A funcionalidade de um motor elétrico é de converter a energia elétrica adquirida da bateria em energia mecânica, a fim de movimentar o veículo. Em veículos elétricos híbridos, o motor elétrico e o motor de combustão interno agem juntos em série ou em paralelo. As vantagens da utilização de motor elétrico são: em velocidades mais baixas o motor fornece torque completo e a potência instantânea pode ser duas ou até três vezes maiores que a potencia nominal do motor.
O torque em motores elétricos é produzido utilizando um dos dois princípios básicos do eletromagnetismo, onde o torque é produzido por interação mútua de duas forças magnetomotrizes, e pelo princípio da relutância magnética onde o torque é produzido por um rotor.
Requerimentos:
Alta relação torque-inércia o que resulta em uma “boa” aceleração
Torque de pico (200% a 300% do torque contínuo)
Alta relação potência-peso
Elevado torque de partida em subida de planos inclinados e em baixas velocidades
Elevado valor de pico tanto de torque quanto de potência
Pouco ruído acústico, pequena interferência eletromagnética, pouca manutenção e custo pequeno.
Operação de alta velocidade
Os principais tipos de motores que são utilizados em veículos elétricos são: Motor de Corrente Contínua com Escovas
Esse tipo de motor é utilizado quando se deseja ter um controle fácil sobre sua rotação, que pode ser conseguido variando a tensão fornecida em seus terminais. O fato de possuir escova faz com que ele seja pesado e seu custo de manutenção seja bastante elevado. São constituídas por um circuito magnético fixo que possui enrolamentos de excitação, conhecido como circuito indutor, o qual forma em seu conjunto o estator constituindo a parte estática. Possui também uma parte dinâmica conhecida como armadura, com um núcleo magnético de seção circular.
Motor de Indução
É composto basicamente por um estator (parte estática) e um rotor (parte dinâmica). O estator é composto de chapas finas de aço magnético em formato de anel com ranhuras internas de maneira que podem ser alojados enrolamentos que criam um campo magnético. O rotor é composto da mesma maneira que o estator, sendo que seus enrolamentos são alojados longitudinalmente. O motor de indução é o mais usado na indústria por ser econômico robusto e confiável.
Motor de Relutância Variável
Pode ser considerado o menos complexo dentre os grupos de motores. É formado por um estator que possui enrolamentos de excitação e um rotor magnético. O torque produzido pelo rotor se alinha com a onda de fluxo produzida pelo estator, garantindo a maximização dos fluxos. Esse tipo de motor não pode ser alimentado diretamente à rede elétrica. Precisa-se aplicar um controle de pulsos em função da posição do rotor.
Motor com Ímãs Permanentes sem escovas
Esse tipo de motor é utilizado com muita frequência em sistemas de propulsão de veículos elétricos, pois possuem uma densidade alta de potência, uma eficiência elevada e uma alta eficiência de dissipação de calor para o exterior. O campo magnético do rotor tenta se alinhar com o campo magnético girante do estator. Quando isso acontece, o rotor adquire velocidade proporcional à frequência da alimentação do estator e acompanha o campo magnético girante estabelecido pelo mesmo.
2.1.3 Motor de Combustão Interna
Um motor de combustão interna é uma máquina térmica que utiliza combustível como fluido de trabalho, com o qual se ganha energia por ciclos de calor. Os mais comuns são os motores de quatro tempos, que consistem de um sistema de pistão-cilindro. Estão presentes em automóveis, caminhões e ônibus.
Os dois tipos de motores de combustão interna alternativos são o de ignição por centelha e o de ignição por compressão. São conhecidos como motor de gasolina/petróleo e motor diesel, respectivamente, baseados nos fluidos de trabalho usados. A diferença entre eles esta no método de inicialização da combustão e no processo do ciclo. O primeiro consome uma mistura de ar-combustível, a qual é inflamada pela centelha. O segundo consome ar o qual é comprimido a uma pressão e temperatura alta que a combustão começa espontaneamente, depois que, o combustível é injetado.
Os processos envolvidos no movimento do pistão são os seguintes:
Admissão: O pistão começa no topo, a válvula é aperta e o pistão desce aumentando o volume do cilindro e sendo preenchido com uma mistura de ar e gasolina.
Compressão: O pistão volta a subir e a válvula é fechada, comprimindo assim a mistura. A pressão e temperatura sobem.
Combustão: Quando o pistão chega ao topo, é realizada a ignição da mistura que entra em combustão. A pressão resultante empurra o pistão para baixo, de forma que ela e a temperatura voltem a diminuir.
Exaustão: Assim que o pistão chega ao fundo, a válvula de exaustão abre expulsando o resultado da combustão.
2.1.4 Bateria
Um requerimento básico para veículos elétricos é o uso de uma fonte elétrica portátil, que é convertida em energia mecânica. A energia elétrica é obtida através da conversão da energia estocada em dispositivos com baterias ou células.
A bateria é uma coleção de módulos ligados em série e/ou paralelo a fim de entregar a tensão e energia desejada para o sistema de acionamento eletrônico.
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. Estas são usadas nos veículos híbridos elétricos, pois são recarregas durante a frenagem regenerativa.
Os principais tipos de baterias recarregáveis consideradas para veículos elétricos e veículos elétricos híbridos são:
Chumbo-ácido Níquel-cádmio Níquel-hidreto metálico Íon-lítio Lítio-polímero Sódio-enxofre Zinco-ar 2.2 Mecânicas do Veiculo
Um veículo se move para frente com a ajuda de uma força propulsora que supera as resistências da gravidade, ar e dos pneus. A aceleração e a velocidade dependem do torque e da potência disponíveis devido à tração. Um veículo é desenvolvido baseado em certas
especificações e requerimentos, além do mais, seu sistema é complexo, o que demanda conhecimento multidisciplinar. A seguir, serão analisadas as ferramentas precisas para a análise da mecânica de um veículo baseado na Segunda Lei de Newton [1].
2.2.1 Leis do Movimento
A segunda lei de Newton pode ser expressa por:
∑ 𝐹𝑖 𝑖 = 𝑚𝒂 (Eq. 1)
Onde o primeiro termo é a força resultante, m é a massa efetiva, e a é a aceleração. A lei é aplicada ao veículo considerando um grande numero de objetos localizados em diversos pontos de contato do veículo com o mundo externo onde cada força atua.
2.2.2 Cinética do Veículo
A unidade de propulsão de um veículo exerce uma força trativa, 𝐹𝑡𝑟, para propulsionar o veículo para frente a certa velocidade desejada. Essa força deve superar as forças que se opõe ao movimento, 𝐹𝑟𝑙, que consistem na força gravitacional, resistência de rolamento dos pneus, e arrasto aerodinâmico. Temos:
𝐹𝑟𝑙 = 𝐹𝑔+ 𝐹𝑟𝑜𝑙+ 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 (Eq. 2)
A força gravitacional depende da inclinação da estrada. A força é positiva quando estiver subindo uma estrada inclinada, e negativa quando estiver descendo uma estrada inclinada.
𝐹𝑔 = 𝑚𝑔 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛽) (Eq. 3) Onde g é a aceleração gravitacional e o grau de inclinação da estrada.
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. Temos:
𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝑚𝑔𝐶𝑟 (Eq. 4)
Onde 𝐶𝑟 é o coeficiente de resistência de rolamento, dado por:
𝐶𝑟 = 0,01(1 + 𝑉𝑖
160) (Eq. 5)
Esta equação é apenas valida para velocidade na faixa de 0 até 128 km/h.
A força de arrasto aerodinâmico é resultado da resistência viscosa de um fluido e a pressão distribuída pelo corpo contra este fluido. Dada por:
𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜 = 𝑉𝑚𝑖² ∗ 𝐴𝑓 ∗ 𝜌𝑎𝑟∗ 𝐶𝑑 / 2 (Eq. 6)
Onde 𝐶𝑑 é o coeficiente de arrasto aerodinâmico, 𝐴𝑓 é a área frontal do carro, 𝜌𝑎𝑟 é a
densidade do ar.
A força trativa é a força entre o pneu e a estrada, suprida pela combinação de motor elétrico e de combustão interna do veículo híbrido. A equação que expressa o movimento na direção tangencial dada é:
𝑘𝑚𝑚 𝑑𝑣
𝑑𝑡 = 𝐹𝑡𝑟− 𝐹𝑟𝑙 (Eq. 7)
Onde 𝑘𝑚 é o coeficiente de inércia rotacional que compensa o incremento aparente na massa a bordo do veículo.
2.2.4 Potência
A potência requerida da combinação do motor elétrico com o de combustão interna pode ser calculada da seguinte forma:
𝑃 = 𝑇𝑡𝑟𝜔 = 𝐹𝑡𝑟𝑣 (Eq. 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.
2.2.5 Energia
A energia requerida para certa aceleração ou para manter uma velocidade constante é necessária para desenvolver e selecionar uma fonte de energia ou bateria para cobrir tal distancia. A taxa de variação de energia é a própria potencia trativa:
𝑃𝑡𝑟(𝑡) = 𝑑𝑒𝑡𝑟
𝑑𝑡 (Eq. 9)
Onde 𝑒𝑡𝑟 é a energia trativa instantânea. A energia precisa durante um intervalo é calculada a partir da integração da potencia instantânea:
∫ 𝑑𝑒𝑡𝑟 = ∫ 𝑃𝑡𝑟𝑑𝑡 𝑡 𝑡=0 𝑒𝑡𝑟(𝑡) 𝑒𝑡𝑟(0) (Eq. 10) 2.3 Consumo de Energia
Na propulsão do veículo, para realizar o calculo da energia que deve ser fornecido, deve-se considerar as perdas, resistências, a eficiência mecânica de transmissão e o desempenho dos circuitos eletrônicos de potência. Portanto, o calculo da potência fornecida ao sistema é dada por:
𝑃𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 = 𝑉𝑚𝑖
ƞ𝑡ƞ𝑒∗ (𝐹𝑟𝑜𝑙+ 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜+ 𝑘𝑚
𝑑𝑉
𝑑𝑡) (Eq. 11)
Onde ƞ𝑡 e ƞ𝑒 são as eficiências de transmissão e do motor respectivamente.
Na equação anterior, é considerada a potência fornecida pelos motores e não a potência que volta produto da frenagem regenerativa. Durante a frenagem regenerativa, parte da energia cinética pode ser recuperada através de uma troca de função, ou seja, o motor elétrico vira gerador, e a energia gerada é conduzida de volta até a fonte de armazenamento. A potência regenerativa pode ser expressa da seguinte maneira:
𝑃𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = 𝑉𝑚𝑖∗ (𝐹𝑟𝑜𝑙+ 𝐹𝑎𝑒𝑟𝑜+ 𝑘𝑚𝑑𝑉
𝑑𝑡) (Eq.12)
Onde é o percentual do total de 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. 13)
2.4.1 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. Pode-se observar os dados referentes ao ciclo no gráfico abaixo [7].
Gráfico 1: New York City Cycle
Com os dados obtidos e os parâmetros utilizados, pode-se montar também o gráfico de potência do New York City Cycle.
Gráfico 2: Gráfico de potência do ciclo.
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 pelo 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 e a quantidade de ciclos a serem realizados, de forma que se encontra um maior aproveitamento para o sistema, visando o menor consumo de combustível e a redução de gases poluentes. Os valores são determinados levando-se em conta um custo aceitável para a montagem da bateria.
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, baseado nos requerimentos [4] do veículo Peugeot 208. Fez se um estudo do consumo de energia no percurso New York City Cycle, estabelecendo uma velocidade limite e o numero de ciclos a serem realizados. Após esse processo, fez-se uma comparação do carro funcionando apenas com o motor a combustão interna e usando o kit elétrico. Desta forma, pode se estabelecer a diminuição do consumo de combustível, redução da emissão de gases poluente e a economia do uso do kit.
4.1 Forças que atuam em um corpo
Nesta seção será descrita as forças envolvidas na propulsão do veículo durante o percurso. Elas foram descritas na seção 2.2 anteriormente.
4.1.1 Resistência à subida de um plano inclinado
É a força que o veículo experimenta quando sobe um plano inclinado, que pode ser descrita pela equação 3:
𝐹𝑔 = 𝑚𝑔 ∗ 𝑠𝑒𝑛(𝛽)
m = massa (kg)
g = gravidade (m/s²) = 9,81 (m/s²)
𝛽 = grau de inclinação
Durante o trajeto se considera um grau de inclinação igual a zero (𝛽 = 0), portanto esta força é zero.
4.1.2 Resistência aerodinâmica
Pela equação 6, podemos descrever a força de resistência aerodinâmica que o veículo deve superar ao longo do percurso como:
𝑉𝑚𝑖 = Velocidade média (m/s)
𝐴𝑓 = Área frontal (m²) = 2,94 (m²)
𝜌𝑎𝑟 = Densidade do ar (kg/m³) = 1,184 (kg/m³)
𝐶𝑑 = Coeficiente de arrasto aerodinâmico = 0,296
4.1.3 Resistência ao rolamento
Pela equação 4, podemos descrever a força de resistência ao rolamento que o veiculo deve vencer ao longo do percurso como:
𝐹𝑟𝑜𝑙 = 𝑚𝑔𝐶𝑟 𝐶𝑟 = Coeficiente de rolamento
Pela equação 4, descobrimos o valor do coeficiente de rolamento para uma determinada velocidade:
𝐶𝑟 = 0,01(1 + 𝑉𝑖 160)
4.1.4 Resistência à aceleração
Pela equação 1, descrevemos a força de resistência que o veículo experimenta quando desacelera ou acelera durante o percurso:
𝐹𝑖 = 𝑘𝑚𝑚𝑑𝑣 𝑑𝑡
𝑘𝑚 = coeficiente de inercia rotacional
𝑑𝑣
𝑑𝑡 = aceleração (m/s²)
4.2 Especificações do Carro
Os dados referentes ao carro escolhidos, foram retirados do manual do carro da Peugeot [4].
Tabela 1: Dados referentes ao carro
Tabela 2: Dados referentes ao motor à combustão
Modelo 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 Carro Capacidade Cúbica (cc) 1598 diâmetro do cilindro (mm) 77 comprimento do cilindro (mm) 85.6 Potência (hp) 208 Velocidade Máxima (km/h) 230 Combustível Gasolina Razão de Compressão 10.5:1
Tabela 3: Dados referentes à célula de bateria.
Tabela 4: Dados referentes ao motor elétrico. 4.3 Eficiência energética
A eficiência energética é descrita como:
ƞ = 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑎 𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎
A quantidade de energia utilizada é aquela que os pneus necessitam para transladar de um ponto até outro. A quantidade de energia fornecida depende do tipo de arquitetura do veículo, ou seja, é aquela fornecida pelo motor.
Energia Consumida:
A energia consumida foi calculada mediante a simulação dos veículos percorrendo o ciclo proposto. É calculada seguindo os seguintes passos:
1. Soma se as forças de resistência que o sistema de propulsão deve superar. 2. É estabelecida uma velocidade limite.
3. Multiplica-se as força pela velocidade no pneu a fim de obter a potência nas rodas.
4. Integra-se a potência ao longo do tempo de duração de um trecho determinado. 5. Separamos a energia consumida pelo motor elétrico e pelo de combustão
interna. Ou seja, a energia referente às velocidades abaixo da velocidade limite (motor elétrico) e a energia referente às velocidades acima da velocidade limite (motor de combustão interna).
Energia Fornecida:
A energia fornecida ao sistema é calculada seguindo os seguintes passos:
1. Divide-se a potência de tração nas rodas pela eficiência de transmissão. Esta é a potência fornecida ao sistema de transmissão.
Modelo Polymer Li-Ion 1055275
comprimento (m) 0.275 altura (m) 0.0105 largura (m) 0.055 Peso (kg) 0.406 Preço 52.5 Capacidade (ah) 21 Corrente (A) 42 Energia (kWh/kg) 0.164 Voltagem (V) 3.7 ciclos de vida 500
Modelo Curtis 1238-5601 HPEVS AC-9 Brushless AC Motor Kit - 48 Volt
Tipo Indução AC Voltagem Máxima (V) 48 Torque Continuo (Lb ft) 70 Potencia Continua (kW) 20.13 Rotação Máxima (rpm) 10000 Eficiencia Maxima 0.92 Peso (kg) 22.7 Preço ($) 2460
2. Divide-se a potência de transmissão pela eficiência do motor elétrico. Esta é a potência fornecida ao motor elétrico. Analogamente, repete-se o processo para o motor de combustão interna.
3. Para obter a energia fornecida ao motor, integra-se a potência fornecida ao motor ao longo do tempo de duração de um trecho determinado.
Combustível Consumido:
Para obter a quantidade de combustível, dividimos a quantidade de energia fornecida ao motor de combustão interna pelo poder calorífico do combustível. Esta é a quantidade de combustível utilizado pelo percurso.
5. Resultados e Discussões
A avaliação do protótipo será feita mediante a uma simulação do comportamento e consumo de energia de um veículo, para o New York City Cycle. Será avaliado:
Energia consumida e fornecida ao Veículo elétrico híbrido para sua movimentação.
Energia recuperada pela frenagem regenerativa.
Quantidade de energia destinada para cada um dos motores, mediante à velocidade limite estabelecida.
Quantidade de combustível consumido.
Deslocamento total.
Redução da emissão de gases poluentes.
O custo de energia elétrica, referente ao período de Março até Novembro de 2015, segundo a Light é de R$ 0,46858/kWh. O custo médio de gasolina segundo a ANP referente ao mês de Maio de 2015 é de 3,291 R$/L.
Para a realização desta simulação foram considerados:
Fator de Recuperação Elétrico (FRE) = 0,3.
Eficiência de transmissão = 0,9.
Eficiência do motor de combustão interna = 0,1.
Eficiência do motor elétrico = 0,92.
Numero de pessoas = 4.
Peso de cada pessoa = 75kg.
Em um primeiro momento estabeleceu-se uma velocidade limite de 10 km/h e uma quantidade de 25 ciclos a serem realizados. Os resultados são demonstrados nas seguintes tabelas e gráficos:
Gráfico 2: Potência necessária para a realização de um ciclo.
Gráfico 3: Potência Fornecida pelo motor elétrico.
Tabela 5: Dados referentes a realização de um ciclo.
Tabela 6: Dados referentes aos 25 ciclos realizados.
Tabela 7: Dados referentes às células
Motor Elétrico Motor Combustão Interna
Deslocamento (km) 0.14 1.75
Energia Consumida (kJ) 90.37 1024.96
Energia Fornecida (kJ) 109.15 11388.39
Energia Recuperavel (kJ) 13.58
-Combustível consumido (L) - 0.37
emissão de CO2 por ciclo (kg) 0.22
Custo por ciclo (R$) 0.012 1.24
Deslocamento até descarga da bateria (km) 3.59 43.87
Deslocamento total (km)
Custo até descarga total da bateria (R$) 0.31 30.89
Custo Total (R$)
emissão total CO2 (kg) 5.48
31.20 47.46
Quantidade de células Preço Total das células (US$) Peso das células (kg)
31.60 1659.16
6. Conclusões e Recomendações
O desenvolvimento de veículos elétricos híbridos é considerado um processo importante na indústria automobilística, pois permite a economia de recursos energéticos não renováveis, e diminui a poluição do meio ambiente.
Um estudo teórico e experimental foi desenvolvido a fim de analisar o custo envolvido no deslocamento de um veículo em um ciclo escolhido, utilizando tanto o motor de combustão interna, quanto o elétrico. Foram realizados testes e simulações no Excel com o intuito de estudar o consumo de energia de cada um dos motores para uma dada velocidade limite. Acima dela o carro deveria ser movido a motor de combustão interna, e abaixo, movido a motor elétrico.
A escolha de uma velocidade limite pequena para certa quantidade de ciclos estabelecidos, permite construir uma bateria mais leve e barata. Isso acontece porque a energia fornecida pela bateria será menor, ou seja, menos células de bateria serão precisas. Porém, a escolha de uma velocidade limite maior resulta em uma maior economia em relação ao consumo de combustível, pois o motor elétrico seria mais exigido, e ele é mais eficiente em relação ao motor de combustão.
Caso não fosse estabelecida uma quantidade de ciclos a serem realizados e fosse considerado o movimento do veículo até a total descarga de uma bateria também estabelecida, a escolha de uma velocidade limite pequena implicaria em uma grande quantidade de ciclos a serem percorridos.
O estudo do consumo energético do veículo elétrico híbrido demonstrou que a utilização de um sistema de propulsão elétrico híbrido é mais eficiente em termo econômico comparado com um sistema de propulsão puramente térmico. Assim como, a utilização do sistema de regeneração de energia durante a frenagem de um veículo elétrico híbrido permite uma maior eficiência na utilização de energia, maior economia de recursos e menor emissão de CO2 ao meio ambiente.
7. Referências bibliográficas:
[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] Manual do Carro Peugeot. Disponível em
<http://public.servicebox.peugeot.com/ddb/?_ga=1.198669423.1910283295.1427412242#top >
[5] Agência Nacional de Energia Elétrica. Disponível em
<http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=493>
[6] Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. Disponível em <http://www.anp.gov.br/preco/>
[7] United State Environmental Protection Agency. Disponível em <
