AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO EM ACLIVES DE VEÍCULOS HÍBRIDOS
Jony Javorski Eckert1, Fabio Mazzariol Santiciolli1, Fernanda Cristina Corrêa1, Ludmila Corrêa de Alckmin e Silva1 e Franco Giuseppe Dedini1
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Unicamp - Faculdade de Engenharia Mecânica E-mails: javorski@fem.unicamp.br, fabiosanticiolli@gmail.com
RESUMO
Atualmente, tem-se discutido sobre a questão ambiental e o que fazer para reverter ou estabilizar esse quadro, sendo que os motores de combustão interna (MCI) são um dos principais atuantes contra o meio ambiente através da emissão de poluentes. A adoção da tecnologia propulsora híbrida veicular tem contribuído consideravelmente para a redução destes gases. O termo "híbrido" deriva da combinação de duas ou mais fontes de potência, sendo que a combinação mais comum se faz através de um motor de combustão interna (MCI), comumente usado em veículos convencionais, com o conjunto bateria e motor elétrico (ME) usados nos VEs (Veículos Elétricos). Esta combinação possibilita aos VEHs grande autonomia e rápido reabastecimento, presente nos veículos convencionais, e baixo ruído, aceleração suave e benefícios ambientais característicos dos veículos elétricos. Neste trabalho o foco é a configuração Paralela, onde ambas as unidades propulsoras, MCI e ME, estão conectadas diretamente ao sistema de tração. Deste modo, será avaliado o desempenho do VEH em aclives, estudando-se qual a máxima inclinação possível da pista para que o ME possa superar as forças opostas ao movimento longitudinal do veículo.
INTRODUÇÃO
O desenvolvimento dos automóveis trouxe grande contribuição para o crescimento da sociedade moderna, principalmente no que se diz respeito a satisfazer as necessidades de mobilidade. O rápido crescimento da indústria automobilística, um dos maiores entre todos os setores industriais no mundo, está relacionado com o desenvolvimento da sociedade [1]. Além disso, tem grande importância na economia mundial, sendo um dos setores da indústria com maior empregabilidade.
Entretanto, o crescente número de automóveis pode estar causando graves efeitos para o meio ambiente e para o homem, tais como poluição, aquecimento global, esgotamento das reservas de petróleo, problemas que preocupam a sociedade. A alta dependência dos derivados de petróleo cria uma situação de fragilidade, pois estes recursos têm disponibilidade limitada e existem em regiões específicas, gerando recorrentes aumentos de preço e conflitos internacionais [2]. Situação esta que incentiva a pesquisa pela obtenção de novas formas de energia e equipamentos com maior eficiência energética.
A adoção da tecnologia propulsora híbrida veicular, como constatado em [3] e [4], tem contribuído consideravelmente para a redução de gases tais como óxidos de carbono, de nitrogênio e de enxofre, além da redução de materiais particulados. Agregado a esses
benefícios, o veículo elétrico híbrido (VEH) mantém as características atribuídas aos veículos convencionais tais como desempenho veicular, segurança e confiabilidade.
O termo “híbrido” deriva da combinação de duas ou mais fontes de potência, sendo que a combinação mais comum se faz através de um motor de combustão interna (MCI), comumente usado em veículos convencionais, com o conjunto bateria e motor elétrico (ME) usados nos VEs (Veículos Elétricos). Esta combinação possibilita aos VEHs grande autonomia e rápido reabastecimento, presente nos veículos convencionais, e baixo ruído, aceleração suave e demais benefícios ambientais característicos dos veículos elétricos [5]. A classificação dos VEHs depende da combinação do MCI e do ME no drivetrain e pode ser dada em três diferentes tipos:
VEH Série: A tração é somente elétrica onde o MCI é acoplado a um gerador atuando apenas como fonte de energia para o ME e/ou para um dispositivo de estocagem de energia como uma bateria.
VEH Paralelo: Nesta configuração, ambas as unidades propulsoras, MCI e ME, são conectadas diretamente ao sistema de tração. O ME é adicionado ao drivetrain em paralelo ao MCI com a função de assistir ao adicional de torque exigido deste último, como descrito em [6] e [7].
VEH Série-Paralelo: Como o nome sugere, esta configuração agrega os dois tipos descritos acima atuando, em determinadas condições, como um VEH série ou como um VEH Paralelo segundo estudos realizados por [8].
A seleção dos motores de tração para sistemas de propulsão híbrida é uma importante tarefa que requer atenção especial. A indústria automotiva ainda está buscando o sistema de propulsão elétrico mais adequado para os VEHs e até mesmo para os VEs (Veículos Elétricos). Neste caso, as principais características a serem consideradas são eficiência, confiabilidade e custo. Desta forma, o processo de seleção de sistemas de propulsão adequados é difícil e deve ser realizado ao nível de sistema. De fato, a escolha ainda depende de três fatores: expectativa do motorista, restrição do veículo e fonte de energia.
Os critérios utilizados para o dimensionamento da potência do ME podem ser diversos. Na referência [9] encontra-se que os três critérios mais comuns são: atender à rampa máxima de velocidade requerida, atender a um ciclo especificado em norma ou atender a um desempenho em aclive requerido. Além disso, estes três critérios devem ser avaliados em conjunto e a potência de tração elétrica escolhida deve satisfazer todos os critérios.
Dessa forma, observando-se a importância dada à análise do HEV em aclive, o objetivo desse trabalho é avaliar o desempenho da dinâmica longitudinal de um HEV nesta situação, de modo que seja verificada qual a máxima inclinação possível da pista para que o ME possa superar as forças opostas ao movimento do veículo. Com o intuito de se analisar o comportamento dinâmico do veículo é utilizado o software Adams e para a implementação do sistema de propulsão do HEV é utilizado o Simulink/Matlab®.
1. MODELAGEM DA DINÂMICA VEICULAR LONGITUDINAL
A potência necessária para movimentar do veículo é requerida basicamente pela resistência aerodinâmica e perdas no contato pneu pista, bem como as subidas e descidas da pista que alteram a atuação da força peso do veículo. A Figura 1 mostra as forças atuantes no veículo. A forçaW representa a força peso do veículo que pode aumentar influindo diretamente no consumo de potência. Devido às variações de inclinação da pista causadas pelo ângulo , a componente da força W solidária ao veículo pode ser contra ou a favor do sentido de movimento.
Nos pneus estão representadas as forças normais à estrada (Wf e Wr) que são os pesos dinâmicos suportados pelas rodas. As forças Fxf e Fxr representam às forças de tração provenientes do torque aplicado as rodas pelos seus respectivos sistemas de acionamento, sendo no caso estudado:
Roda dianteira: Motor a combustão, caixa redutora, diferencial;
Roda traseira: Motor elétrico acoplado às rodas.
Figura 1. Forças atuantes no veículo [10].
As forças resistivas causadas pelo contato pneu/pista são representadas por Rxf e Rxr.
A resistência aerodinâmica pode ser considerada com uma força DA atuando em um ponto acima do solo indicado pela altura ha. Os demais parâmetros são dados referentes à geometria do veículo e as forças Rhx e Rhz são somente consideradas em caso de acoplamento de alguma espécie de reboque ao veículo.
A força de tração necessária é dada pela soma das forças de resistência ao movimento conforme mostra a equação (1).
Sendo:
= Força de tração necessária;
= Aceleração do veículo;
= Força de resistência ao rolamento;
= Força de resistência aerodinâmica;
= Força de resistência devido à inclinação da pista;
= Massa equivalente do veículo.
A massa equivalente representa todos os componentes do veículo que estão em movimento longitudinal e rotacional, incluindo as inércias do motor e sistema de transmissão, sendo a massa equivalente calculada pela equação (2).
A combinação de duas massas é uma "massa efetiva” e a razão de é o "fator de massa" [10], sendo a massa equivalente dos componentes rotativos. Podendo o fator de massa ser obtido pela equação (3).
Sendo:
= Fator de massa;
= Relação de transmissão total (caixa redutora + Diferencial).
O movimento do veículo é restringido basicamente por duas forças, sendo elas a carga aerodinâmica e a resistência ao rolamento. Em baixas velocidades no pavimento rígido, a resistência ao rolamento é a força de resistência primária de movimento [10].
A força de resistência ao rolamento é causada basicamente pela deformação dos pneus e pelo fenômeno de adesão no contato pneu pista. As irregularidades do terreno também influenciam na resistência ao rolamento, contudo a deformação do pneu em contato com a pista é o fator de maior influência, sendo que a dureza da pista influencia no resultado final de forma que, quanto mais macio for o piso, maior a força necessária para que ocorra rolamento do pneu. A força de resistência ao rolamento é calculada pela equação (4).
Onde:
= coeficiente de resistência ao rolamento;
= Massa do veículo;
= Ângulo de inclinação da pista.
Existe uma série de fatores relevantes que influenciam na determinação do coeficiente de resistência ao rolamento entre eles a temperatura do pneu e sua pressão de inflação e velocidade do veículo. O coeficiente de resistência ao rolamento é dado pela equação (5) sendo a velocidade do veículo em km/h.
(2)
(3)
(4)
A carga aerodinâmica é causada pela resistência imposta pelo ar à passagem do veículo, sendo que este efeito passa a ter maior interferência no avanço do veículo com o aumento da velocidade e é desprezível em baixas velocidades.
Devido à complexidade do escoamento do ar pelo exterior do veículo foram desenvolvidas equações empíricas. A equação (6) mostra uma forma de cálculo que estima a carga de arrasto aerodinâmico.
Sendo que A representa a área frontal do veículo e CD é o coeficiente de arrasto aerodinâmico, que é determinado experimentalmente através de testes realizados em túneis de vento.
Já o cálculo da força de resistência devido à inclinação da pista é oriundo da decomposição da força peso sendo que esta força pode ser positiva quando o veículo encontra-se em aclive ou negativa quando este está em declive. A resistência devido à inclinação é dada pela equação (7).
2. SIMULAÇÃO DA DINÂMICA VEICULAR LONGITUDINAL DE UM HEV
O VEH abordado neste trabalho tem a configuração paralela, onde tanto o ME como o MCI são diretamente responsáveis pela propulsão do veículo. Neste caso, os MEs estão inseridos dentro das rodas do eixo traseiro, e o MCI conectado ao eixo dianteiro através da caixa de transmissão.
A priori, a fim de simular o comportamento da dinâmica veicular longitudinal do HEV foi elaborado um modelo de bancada dinamômetrica, baseando-se em um conjunto de dois rolos que simulam a inércia referente ao deslocamento longitudinal do VEH, nos quais são apoiados quatro cilindros que representam as rodas do veículo que estão presas a um chassi com massa similar ao VEH analisado.
Figura 2. Modelo da bancada dinamômetrica utilizada para a simulação da dinâmica longitudinal do HEV.
(6)
Por se tratar apenas de uma simulação referente à dinâmica longitudinal do veículo o sistema de suspensão foi omitido. O modelo do HEV proposto pode ser visto na Figura 2. As rodas traseiras possuem maior volume devido à representação da inércia dos motores elétricos acoplados a elas.
A energia cinética proveniente do deslocamento longitudinal do veículo é dada pela equação (8).
Sendo:
= Energia cinética de translação [J];
= Massa total de veículo [kg];
= Velocidade de translação do veículo [m/s].
Para que o modelo represente o deslocamento do VEH na pista, as massas rotativas devem prover a mesma quantidade de energia cinética calculada através da equação (8). Entretanto, a energia cinética das massas é proveniente da inércia rotativa das mesmas, sendo estes valores calculados pela equação (9).
Onde:
= Energia cinética de rotação [J];
= Velocidade angular do cilindro [rad/s]
Sendo que o valor da inércia rotativa é dado pela equação (10).
Sendo:
= Momento de inércia do cilindro [kg m2];
= Massa do cilindro [kg];
= Raio do cilindro [m].
Portanto para que haja equivalência das energias cinéticas a igualdade mostrada na equação (11) deve ser mantida.
Simplificando os valores de ½ presentes em ambas as equações, e substituindo o momento de inércia, a igualdade toma a seguinte forma:
(8)
(9)
(10)
(11)
A massa do cilindro é o resultado da multiplicação da massa específica do material do cilindro ( pelo volume do mesmo. Já o volume do cilindro é resultado da multiplicação da área transversal do cilindro pelo seu respectivo comprimento (equação 13) sendo que a área do cilindro é calculada através da equação 14.
(13)
Substituindo a equação (13) na equação (12) obtém-se a equação (15), onde a inércia devido à velocidade de translação do veículo torna-se dependente apenas da geometria e da velocidade angular do cilindro.
(15)
A relação entre a velocidade de translação do veículo e a rotação da roda é dada pela equação(16).
(16)
Sendo:
= Velocidade angular da roda [rad/s2];
= Raio do pneu [m].
Substituindo a equação (16) na equação (12) tem-se a velocidade angular da roda em função do raio do pneu.
Entretanto, com o intuito de simplificar o modelo e eliminar a diferença entre o diâmetro dos pneus e o diâmetro das massas rotativas, adaptou-se o modelo no ponto de contato com os pneus para que estas possuam diâmetro similar gerando uma relação de transmissão unitária. Portanto a velocidade angular pode ser simplificada com resultando na equação (18).
Sendo o comprimento das massas rotativas arbitrado, o raio é dado pela equação (19).
(14)
Através da análise dinâmica do veículo tem-se que a velocidade de translação do veículo possui o mesmo valor da velocidade tangencial da roda no contato pneu pista. Desta forma, no modelo implementado, o pneu irá transmitir movimento para as massas rotativas.
(17)
(18)
Sendo admitida a massa do veículo como sendo 1120 kg, o raio do pneu como sendo 0,3 metros e o comprimento como sendo 1 metro, a massa especifica do aço 7800 kg/m3 e o raio da massa rotativa é calculado conforme abaixo:
Admitindo-se que o veículo possua rodas de 14 polegadas com pneus adequados é possível aproximar o valor do diâmetro externo dos pneus em 600 mm e a largura em 160 mm. Portanto o diâmetro do ponto onde as rodas são apoiadas também deve ser 600 mm e a largura 160 mm. A inércia necessária para simular o deslocamento do veículo é calculada através da equação (21)
Com as dimensões descritas acima nos pontos de contato das rodas com os pneus a inércia é dada conforme a equação (22).
Como o veículo possui quatro rodas, a inércia correspondente a estes cilindros deve ser deduzida da inércia total do sistema como mostra a equação (23).
A parcela restante da inércia será dividida igualmente entre as duas massas rotativas, sendo o comprimento destas referentes à distância entre a roda esquerda e a roda direita do veículo. Como parte desta distância entre as rodas está preenchida pelos cilindros de contato com os pneus, a largura destes deve ser deduzida de acordo com a equação (24).
A equação (25) permite calcular o diâmetro correspondente para igualar a inércia da massa rotativa calculada anteriormente.
Após a modelagem do HEV e da bancada de testes utilizou-se o programa Adams® para realizar a sua análise dinâmica. No modelo desenvolvido no Adams® foram criadas juntas de revolução apropriadas para permitir o movimento das rodas e das massas rotativas. O movimento é proveniente dos torques aplicados às rodas, sendo o torque do eixo dianteiro fornecido pelo motor à combustão e do eixo traseiro é fornecido pelos motores elétricos. O chassi do veículo encontra-se conectado à base por meio de uma junta que permite somente o movimento vertical, portanto as rodas apoiam-se nas massas rotativas devido a ação da gravidade. √ (20) kg m2 (21) kg m2 (22) kg m2 (23) mm (24) √ √ m (25)
Além disso, foi criada uma junta que acopla o movimento de rotação das massas rotativas de forma a mantê-las interligadas como se estivessem conectadas por uma correia. A transmissão de movimento entre as rodas e as massas rotativas é dada por um modelo de contato criado entre os componentes. Enquanto as forças de resistência ao movimento são representadas em forma de torques no sentido inverso ao movimento aplicado nas massas rotativas.
Para facilitar a inserção dos dados de entrada no modelo Adams foi utilizado uma conexão Adams/Simulink Matlab®, o que possibilita uma estimativa dos valores de torque a serem aplicados às rodas, assim como os torques resistivos aplicados às massas rotativas, tendo então como intuito o fornecimento dos dados de entrada para que o modelo Adams possa realizar a simulação da dinâmica do veículo.
Desta forma, o Adams utiliza os dados advindos do Simulink como entrada para que a simulação do VEH ocorra, e como resultado dessa simulação tem-se a velocidade angular das rodas, cujo resultado é enviado ao Simulink por este ter uma interface de melhor apresentação de resultados. Através da Figura 3 é possível visualizar o fluxo de dados através da programação realizada no Simulink, sendo que na entrada do bloco que representa as forças de resistência tem-se a inclinação da pista, e como saída deste bloco tem-se todas as forças de resistência do VEH que são entradas do modelo dinâmico desenvolvido no Adams.
As outras entradas do modelo dinâmico são o torque de um ME de 5 HP que é fornecido através da curva do ME, onde dada uma determinada velocidade angular da roda tem-se um torque do ME aplicado a cada roda do eixo traseiro do VEH através do modelo Adams. Já o torque do MCI permanece nulo, pelo fato do VEH realizar a propulsão do veículo utilizando apenas o ME como sistema propulsor. Como saída do modelo desenvolvido no Simulink tem-se a velocidade angular das rodas.
Figura 3. Representação das entradas do modelo dinâmico do HEV no Simulink.
A fim de se ter uma referência que possibilite uma análise comparativa, é utilizado um modelo semelhante ao que foi anteriormente proposto, porém com acionamento das rodas dianteiras por meio de um MCI de 70 hp, e os MEs das rodas traseiras, neste caso, permanecem desligados (Figura 4).
Figura 4. Representação das entradas do modelo dinâmico do HEV no Simulink, com acionamento pelo MCI.
3. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO HEV EM ACLIVE
Os resultados obtidos a partir da simulação Adams/Simulink são analisados em uma faixa de tempo de 60 segundos, variando-se o ângulo de inclinação da pista de zero a 8°. A primeira análise é realizada considerando-se uma pista totalmente plana. Através da Figura 5 observa-se que a roda do veículo atinge aproximadamente 60 rad/s, depois desobserva-se ponto ocorre uma redução na aceleração causada pelo declínio do torque dos MEs devido ao aumento da rotação, cujo comportamento é típico dos MEs (velocidade alta, baixo torque).
Quando o HEV é submetido a um aclive com inclinação de 8°, a soma das forças de resistências são superiores a força aplicada às rodas pelos seus respectivos MEs, portanto o veículo se movimenta na direção oposta gerando velocidade angular negativa como mostra a Figura 6. Portanto, o ângulo limite para o funcionamento dos MEs em aclive é de 7°, acima desse ângulo torna-se necessário o uso do MCI para que o VEH tenha tração suficiente para superar as forças de resistência (Figura 7).
Figura 6. Velocidade angular das rodas do HEV quando submetido a um aclive de 8º.
Figura 7. Análise dos diversos ângulos de inclinação em aclives para acionamento do HEV realizado pelos MEs.
A Figura 8 ilustra um comparativo entre o desempenho do VEH acionado pelos MEs e um VEH semelhante acionado pelo MCI na situação limite com ângulo de aclive de 7°. Como pode ser observado, o VEH acionado pelo MCI possui um desempenho melhor nesta situação devido à transmissão escalonada da caixa redutora, o que permite um torque de partida elevado e consequentemente um aumento da velocidade com a mudança de marchas.
Figura 8. Análise comparativa entre o HEV acionado pelo MCI e acionado pelos MEs.
CONCLUSÃO
Os MEs exercem um papel de extrema importância nos VEHs de configuração paralela, pois eles também são responsáveis pelo suprimento de torque para que o VEH possa superar as forças contrárias e assim mover o veículo. Desta forma, estudos em torno do comportamento dinâmico do VEH considerando-se o comportamento do ME tem se tornado algo fundamental para que o VEH possua padrões consideráveis de desempenho e eficiência.
Neste artigo foi realizada a análise do VEH sendo acionado por dois MEs de 5 HP cada, acoplados diretamente às rodas do eixo traseiro, com o intuito de se verificar qual o máximo ângulo de inclinação e a respectiva velocidade angular do veículo para que este possa superar as forças de resistências do movimento longitudinal do VEH.
Para isso utilizou-se o software Adams para a modelagem da dinâmica veicular do HEV e o software Simulink/Matlab® para facilitar a entrada das variáveis da dinâmica referente às forças de resistência, e torque dos motores.
Através dos resultados das simulações realizadas no Adams/Simulink verificou-se que o ângulo limite de inclinação permitido é de 7º em aclives. Tal valor é a máxima inclinação da pista para que os MEs possam sozinhos tracionar o VEH. Um MCI de 70 HP foi comparado aos MEs, e o resultado foi que o MCI possui melhor desempenho devido à transmissão escalonada da caixa redutora, o que permite um torque de partida elevado e consequentemente um aumento da velocidade com a mudança de marchas.
Neste caso, levando-se em consideração a eficiência energética intrínseca dos VEHs, tem-se que os MEs podem acionar o VEH até o ângulo limite de inclinação, acima do ângulo limite o MCI terá que assistir os MEs de modo a suprir o torque demandado.
REFERÊNCIAS
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[9] Cheng, Yuan; Duan, Fuyi; Cui, Shumei. The design principle of electric motors and drive systems for electric vehicles. Proceedings of the Eighth International Conference on
Electrical Machines and Systems, China, vol. 1, pg. 802 - 805, 2005.
[10] Gillespie, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. [S.l.]: SAE international. ISBN 1560911999, 1992
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à CAPES, CNPq ,CPFL e à Schaeffler Group pelo apoio financeiro e por compreender as necessidades de pesquisa e desenvolvimento tecnológico no Brasil.
