À minha amada esposa, graziella russo oliveira, por ter me … · 2.2 características dos motores...

À minha amada esposa, Graziella Russo

Oliveira, por ter me apoiado, estando presente

na minha formação e compartilhando mais

esta vitória.

Aos meus queridos pais, Osvaldo Martins de

Oliveira e Engracia Maria Farias Oliveira, que

me ensinaram que com Deus tudo é possível.

AGRADECIMENTOS

Principalmente a Deus, pela opotunidade que me proporcionou para a

realização deste trabalho.

À minha esposa, Graziella Russo Oliveira, cuja paciência, dedicação e

incentivo foram fundamentais para concluir este trabalho.

Aos meus pais, Osvaldo Martins de Oliveira e Engracia Maria Farias

Oliveira, pelo incentivo e carinho que sempre me proporcionaram.

À minha irmã, Mirian Martins de Oliveira, pelo que ela representa para

mim.

Ao ilustre Prof. Dr. Decio Crisol Donha pela orientação.

As secretárias, Mônica de Castro Campos Guerra e Rosangela Fernandes

Barboza, pela dedicação durante o período de curso.

Aos meus amigos da Ford Motor Company, em especial ao ilustre Sr.

Marco Mazzillo.

RESUMO

As questões relativas à eficiência energética, proteção do meio ambiente,

redução das reservas mundiais de combustível têm feito com que cresça rapidamente

o interesse das montadoras de automóveis por novas tecnologias de propulsão

veicular, que sejam mais eficientes e menos poluentes que os sistemas de propulsão

convencionais.

Uma alternativa que vem sendo considerada são os veículos elétricos

híbridos (VEHs). Os VEHs combinam os benefícios de veículos elétricos com as

características de um veículo convencional.

A proposta deste trabalho é estudar as principais características dos VEHs,

realizando simulações para mostrar o desempenho, níveis de emissões e o

comportamento de seus principais componentes, as baterias e os motores elétricos.

O número de possíveis configurações dos VEHs vêm aumentando

rapidamente, somando novos sistemas de embreagens, motores elétricos e outros

componentes. No entanto, neste trabalho faremos uma comparação entre as duas

configurações de VEH mais aplicadas: série e paralelo.

A simulação será realizada usando-se o programa ADVISOR (ADvanced

VehIcle SimulatOR), desenvolvido pela National Renewable Energy Laboratory

(NREL) e Argonne National Laboratory (ANL). Também faremos algumas

simulações usando o programa Matlab®.

ABSTRACT

Auto manufacturers are increasingly looking for changes to conventional

powertrain technologies to meet the challenge of developing more fuel efficient and

less polluting vehicles. One alternative under consideration is that of hybrid electric

vehicles (HEVs). An HEV combines the benefits of electric vehicles with the

features of a conventional vehicle that consumers expect.

The goal of the research in this thesis is to:

Model the main HEV components the motor and battery.

Compare the two major HEV configurations: the series and parallel. The

number of possible topologies of the HEV is increasing drastically by adding more

clutches, electric machines and other components. Therefore only two HEV

configurations are chosen for the comparison on this work.

Model of the vehicle is developed using ADVISOR, an Advanced Vehicle

Simulator that handles the energy flow and fuel usage within the vehicle drivetrain

and the energy conversion components.

Simulations were also run in some computer based software called

Matlab®.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CAPÍTULO 1 ............................................................................................................... 1

INTRODUÇÃO........................................................................................................ 1 1.1 Apresentação e definição do problema ........................................................ 1 1.2 Objetivos ...................................................................................................... 3 1.3 Organização do trabalho .............................................................................. 3 1.4 Revisão dos programas utilizados................................................................ 5

CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 7 SISTEMAS DE PROPULSÃO ................................................................................ 7

2.1 Introdução .................................................................................................... 7 2.2 Características dos motores de combustão interna....................................... 8 2.3 Sistemas Híbridos ...................................................................................... 11 2.4 Princípios de funcionamento dos VEHs .................................................... 12 2.4.1. Veículos Elétricos .................................................................................. 13 2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos ................................................................... 14 2.4.2.1. Configuração Paralela ........................................................................ 15 2.4.2.2. Configuração Série............................................................................. 17 2.4.3. Índice de hibridização ............................................................................ 19

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................. 21 BATERIAS............................................................................................................. 21

3.1 Introdução .................................................................................................. 21 3.2 Caracterização de parâmetros .................................................................... 21 3.2.1. Capacidade de carga - Cp....................................................................... 22 3.2.2. Energia - E.............................................................................................. 23 3.2.3. Densidade de Energia............................................................................. 24 3.2.4. Energia Específica.................................................................................. 24 3.2.5. Potência Específica ................................................................................ 24 3.2.6. Eficiência................................................................................................ 25 3.3 Sistemas de armazenamento de energia - Baterias .................................... 25 3.3.1. Baterias Chumbo-ácido (PbO) ............................................................... 26 3.3.2. Baterias Níquel-Cádmio (NiCd) ............................................................ 26 3.3.3. Baterias Hidreto Metálico de Níquel (NiMH) ....................................... 27 3.3.4. Baterias Lítio-Íon ................................................................................... 27 3.4 Modelo matemático.................................................................................... 28 3.4.1. Modulo Thevenin ................................................................................... 29

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................. 33 MÁQUINAS ELÉTRICAS .................................................................................... 33

4.1 Introdução .................................................................................................. 33 4.2 Fundamentos gerais sobre máquinas elétricas ........................................... 33

4.3 Tipos de motores elétricos ......................................................................... 34 4.3.1. Motores de corrente contínua (MCCs)................................................... 35 4.3.1.1. Modelo matemático............................................................................ 37 4.3.1.2. Diagrama de blocos e simulação........................................................ 40 4.3.1.3. Comparativo entre MCC e MCCBL .................................................. 41 4.3.2. Motores de indução magnética (MIMs)................................................. 42 4.3.2.1. Formas de controle............................................................................. 44 4.3.2.2. Modelo Matemático ........................................................................... 45 4.3.2.3. Comparativo entre MCCBL e MIM................................................... 50

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................. 51 DINÂMICA VEICULAR....................................................................................... 51

5.1 Introdução .................................................................................................. 51 5.1.1. Fundamentos de dinâmica veicular ........................................................ 51 5.1.2. Forças de resistência .............................................................................. 52 5.1.2.1. Resistência ao rolamento.................................................................... 52 5.1.2.2. Resistência aerodinâmica ................................................................... 53 5.1.2.3. Resistência devido a inclinação da pista ............................................ 54 5.1.2.4. Resistência das forças de inércia........................................................ 54 5.1.3. Força Trativa .......................................................................................... 54

CAPÍTULO 6 ............................................................................................................. 58 PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO ............................................................... 58

6.1 Considerações iniciais................................................................................ 58 6.2 Clico de tráfego .......................................................................................... 58 6.3 Programa de simulação .............................................................................. 61 6.3.1. Janela de entrada de dados ..................................................................... 61 6.3.2. Janela de seleção do ciclo e testes desejados ......................................... 63 6.3.3. Janela com resultados da simulação....................................................... 64 6.4 Edição dos parâmetros de entrada.............................................................. 65 6.5 Simulação de um veículo convencional..................................................... 66 6.6 Resultados obtidos para um VEH paralelo ................................................ 70 6.7 Resultados obtidos para um VEH série...................................................... 76

CAPÍTULO 7 ............................................................................................................. 81 CONCLUSÃO........................................................................................................ 81

7.1 Análise dos resultados................................................................................ 81 7.2 Conclusão e recomendações ...................................................................... 82

APÊNDICES.............................................................................................................. 94 A – MOTOR DE INDUÇÃO MAGNÉTICA ........................................................ 94 B – ALTERAÇÃO DOS PARÂMETROS DO ADVISOR ................................... 95

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Percentual das respostas à pergunta: “Cite algum VEH” [1]. 1 Figura 1.2 – J.D. Power and Associates “2003 Hybrid Vehicle Outlook” [2]. 2 Figura 1.3 – Frost and Sullivan “Analysis of the European Market for HEV” [2]. 3 Figura 2.1 – Requisitos para novos sistemas de propulsão. 8 Figura 2.2 – Característica dos motores de combustão interna [3]. 9 Figura 2.3 – Fluxo de energia em sistemas de propulsão convencional. 10 Figura 2.4 – Emissão de CO, HC e NOx em função do coeficiente de ar λ [23]. 11 Figura 2.5 – Perda de torque em função de λ [40, página 44, figura 5.3]. 12 Figura 2.6 – Distribuição dos componentes no veículo elétrico. 13 Figura 2.7 – Características de acionamento de um VE e de um MCI [13]. 14 Figura 2.8 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração paralelo. 16 Figura 2.9 – Fluxograma de energia na configuração paralela. 17 Figura 2.10 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração série. 18 Figura 2.11 – Fluxograma de energia na configuração série. 19 Figura 3.1 – Bateria elétrica [77]. 22 Figura 3.2 – Modelo linear de uma bateria. 23 Figura 3.3 – Célula chumbo-ácido. 26 Figura 3.4 – Modelo matemático de uma bateria [69] [70]. 30 Figura 4.1 – Características das máquinas elétricas. 34 Figura 4.2 – Classificação de alguns motores elétricos. 35 Figura 4.3 – Corte de uma máquina de corrente contínua. 36 Figura 4.4 – Quadrantes de operação das máquinas elétricas. 37 Figura 4.5 – Modelo simples de um MCC com excitação independente. 37 Figura 4.6 – Diagrama de blocos de um MCC. 41 Figura 4.7 – Corte lateral de um MIM [52]. 43 Figura 4.8 – Seção de um MIM. 44 Figura 4.9 – Sistema de controle de um MIM. 45 Figura 4.10 – Esquema elétrico equivalente de um MIM. 46 Figura 4.11 – Esquema elétrico equivalente de um MIM em regime permanente. 47 Figura 4.12 – Esquema monofásico de um MIM em regime permanente. 48 Figura 4.13 – Comportamento torque x velocidade de um MIM. 49 Figura 5.1 – Coeficientes fo e fs em função da pressão interna dos pneus. 53 Figura 5.2 – Resistência ao movimento x Velocidade. 55 Figura 5.3 – Rotação do motor x Velocidade em cada marcha. 56 Figura 5.4 – Força trativa para velocidade constante. 57 Figura 5.5 – Acelerações para aclive da pista de 0%. 57 Figura.6.1 – Urban Dynamometer Driving Schedule. 59 Figura 6.2 – Highway Fuel Economy Test. 60 Figura 6.3 – New European Driving Cycle. 60 Figura 6.4 – Federal Test Procedure. 61 Figura 6.5 – Janela de entrada de dados do ADVISOR. 62 Figura 6.6 – Janela de entrada de dados do ADVISOR. 62 Figura 6.7 – Janela intermediária do ADVISOR – Seleção da simulação. 63 Figura 6.8 – Janela de seleção dos testes e resultados desejados. 64 Figura 6.9 – Janela de resultados. 65 Figura 6.10 – Motor Zetec Rocam 1.0L. 66

Figura 6.11 – Dados de entrada veículo convencional com motor 1.0L. 67 Figura 6.12 – Resultados Veículo Convencional 46 KW. 68 Figura 6.13 – Fluxo de energia Veículo Convencional. 69 Figura 6.14 – Perda de energia durante os testes Veículo Convencional. 69 Figura 6.15 – Eficiência do conversor de combustível Veículo Convencional. 70 Figura 6.16 – Dados de entrada VEH Paralelo com motor 1.0L. 71 Figura 6.17 – Condições de testes e resultados desejados VEH Paralelo. 72 Figura 6.18 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 72 Figura 6.19 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 73 Figura 6.20 – Fluxo de energia VEH Paralelo. 74 Figura 6.21 – Eficiência do conversor de combustível VEH Paralelo. 74 Figura 6.22 – Eficiência da bateria durante carga VEH Paralelo. 75 Figura 6.23 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Paralelo. 75 Figura 6.24 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 30 KW. 76 Figura 6.25 – Dados de entrada VEH Série com motor 1.0L de 46 KW. 77 Figura 6.26 – Resultados de teste VEH Série com MCI de 46 KW. 77 Figura 6.27 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 78 Figura 6.28 – Fluxo de energia VEH Série. 79 Figura 6.29 – Eficiência do conversor de combustível VEH Série. 79 Figura 6.30 – Eficiência da bateria durante carga VEH Série. 80 Figura 6.31 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Série. 80

LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32]. 27 Tabela 3.2 – Bateria Lítion-Íon SAFT [32]. 28 Tabela 4.1 – Comparativo entre um MCC convencional e um MCC Brushless 41 Tabela 4.2 – Parâmetros para simulação de um MIM 73,5 KW. 49 Tabela 4.3 – Comparativo entre um MCC Brushless e um MIM. 50 Tabela 5.1 – Dados da transmissão e pneu usado no veículo. 54 Tabela 7.1 – Tabela com resultados comparativos. 81 Tabela 7.2 – Tabela com resultados comparativos. 82

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ADVISOR – Advanced Vehicle Simulator

ANL – Argonne National Laboratory / Laboratório Nacional

Argonne

BL – BrushLess (Sem escova)

CA – Corrente Alternada

CaC – Célula a Combustível

CAP – Capacidade da bateria

CC – Corrente Contínua

DOH – Degree of Hybridization / Grau de Hibridização

EERE – Energy Efficiency and Renewable Energy / Eficiência

Energética e Energia Renovável

FFA – Ford Forschungszentrum Aachen

FTP – Federal Test Procedure

HEV – Hybrid Electric Vehicle

HWFET – Highway Fuel Economy Test

IEE – Institution of Electrical Engineers / Instituto dos

Engenheiros Elétricos

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. /

Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos

INEE – Instituto Nacional de Eficiência Energética

ISGs – Integrated Starter Generator / Motor-Gerador de

Partida Integrado

MCC – Motor de Corrente Contínua

MCCBL – Motor de Corrente Contínua sem Escova

MCI – Motor de Combustão Interna

ME – Motor Elétrico

MIM – Motor de Indução Magnética

MIP – Motor de Ímã Permanente

MRC – Motor de Relutância Chaveado

NEDC – New European Driving Cycle

NREL – National Renewable Energy Laboratory / Laboratório

Nacional de Energia Renovável

PROCONVE – Programa de Controle de Poluição por Veículos

Automotores

SAE – Society of Automotive Engineers / Sociedade

SOC – State Of Charge / Estado de Carga

UDDS – Urban Dynamometer Driving Schedule

VE – Veículo Elétrico

VEH – Veículo Elétrico Híbrido

VEHCaC – Veículos Elétrico Híbrido com Células a Combustível

VH – Veículo Híbrido

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação e definição do problema

As questões relativas à eficiência energética, proteção do meio ambiente,

redução das reservas mundiais de combustíveis, e o aumento da demanda, levaram

ao desenvolvimento de uma série de novas tecnologias para melhorar o desempenho

de veículos automotivos. Entre as inovações destacam-se os veículos elétricos (VEs)

e os veículos híbridos (VHs). Vários modelos de veículos híbridos vêm sendo

lançados mundialmente para atender diversos nichos de mercado.

Pesquisas realizadas nos EUA comprovaram que em Agosto de 2000,

apenas 36% dos entrevistados tinham algum conhecimento sobre veículos elétricos

híbridos (VEHs), mas em Maio 2004, o percentual de pessoas que conheciam os

VEHs aumentou para 55% [1], conforme ilustra a Figura 1.1.

Figura 1.1 – Percentual das respostas à pergunta: “Cite algum VEH” [1].

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO

2

Hoje, a tecnologia dos VEs é conhecida como sendo uma tecnologia limpa,

enquanto os VEHs em geral são sinônimos de veículos que oferecem uma maior

economia de combustível e baixa emissão de poluentes, quando comparado aos

sistemas de propulsão convencionais.

O termo “híbrido” deriva da combinação de duas ou mais fontes de potência

[18], 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 [25]. 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 [3].

Projeções de vendas dos VEHs nos EUA e Europa [2] indicam um forte

crescimento para os próximos anos conforme mostram as Figuras 1.2 e 1.3.

Figura 1.2 – J.D. Power and Associates “2003 Hybrid Vehicle Outlook” [2].


3

Figura 1.3 – Frost and Sullivan “Analysis of the European Market for HEV” [2].

Assim, seja pela previsão do esgotamento das reservas de combustíveis não

renováveis, seja pela poluição causada com sua queima, torna-se fundamental o

conhecer os princípios de funcionamento destas novas tecnologias.

1.2 Objetivos

A proposta deste trabalho é estudar as principais características dos VEHs,

realizando simulações para mostrar o desempenho, níveis de emissões e o

comportamento de seus principais componentes, as baterias e os motores elétricos.

Uma vez que os veículos comerciais possuem características específicas, a

abrangência deste trabalho estará restrita aos veículos de passeio.

Estaremos usando nas simulações o motor Zetec Rocam 1.0L da Ford que

equipa o Fiesta e o Ka. Como alguns dados são confidenciais, estaremos fazendo uso

de informação obtidas na internet [79] [61] [72] [24].

1.3 Organização do trabalho

Inicialmente algumas características dos MCIs, VEs, e VEHs serão

apresentadas. Para os VEHs discutiremos os tipos de configurações, que


4

normalmente combinam um motor de combustão interna, podendo usar gasolina,

diesel, gás natural, álcool ou outro combustível, com um motor elétrico e uma

bateria.

Basicamente, existem duas configurações para os VEHs [8]:

� Configuração em série, onde o motor a combustão provê potência a

um gerador que carrega as baterias e provê eletricidade para que o

motor elétrico possa entregar potência às rodas.

� Configuração paralela, o motor a combustão ou o motor elétrico, ou

ambos, entregam potência às rodas.

É importante mencionar, que é possível fazer a combinação destas

configurações, possibilitando-se obter outra configuração conhecida como veículos

elétricos híbridos complexos (VEHC), exemplo Prius da Toyota, onde existe uma

combinação entre a configuração série e paralela, e a potência é dividida através de

uma caixa planetária ou uma transmissão continuamente variável (CVT) [90]. O

trabalho será restrito a configuração série e paralela.

Na seqüência, descreveremos brevemente os principais componentes dos

VEHs, sendo que no capitulo 3 discutiremos mais profundamente sobre os sistemas

de armazenamento de energia, apresentando uma modelagem matemática para as

baterias.

No capítulo 4, discutiremos os principais conceitos e fundamentos dos

motores elétricos de corrente contínua e dos motores de indução magnética.

Tanto para os veículos convencionais, como para os elétricos ou híbridos, as

equações básicas do movimento são estabelecidas de acordo com segunda lei de


5

Newton, assim no capítulo 5 serão apresentados alguns conceitos básicos de

dinâmica veicular.

Em geral, estudos dos VEHs demonstram uma capacidade para reduzir

consumo de combustível e emissões significativamente, assim sendo, no capítulo 6

será feito um estudo comparativo de um sistema convencional com as configurações

dos VEHs paralelo e série.

Para a simulação, usaremos o programa ADVISOR (ADvanced VehIcle

SimulatOR) desenvolvido pela National Renewable Energy Laboratory (NREL) e

Argonne National Laboratory (ANL). Este programa permite realizar simulações

através da mudança de algumas variáveis de modelos de veículos existentes, ou

adicionar novos variáveis de entrada. O capítulo 6 é finalizado com a revisão e

análise dos resultados obtidos.

No capítulo 7, faremos a conclusão e também sugestões de estudos futuros.

As investigações e simulações neste trabalho serão realizadas tendo como

base as configurações série e paralela de veículos híbridos. As simulações e

validações não foram realizadas em ambientes reais, ou seja, não foi possível realizar

testes em veículos, pois não havia disponibilidade.

Outro ponto a considerar é a impossibilidade do uso de informações

confidenciais das montadoras, limitando assim a confiabilidade dos resultados

obtidos, por exemplo, o mapa de consumo de combustível do MCI.

1.4 Revisão dos programas utilizados

A idéia de veículos elétricos não é nova. Em 1835, Stratingh desenvolveu o

primeiro VE na cidade holandesa de Groningen [8]. No decorrer dos anos os VEs

não conseguiram ganhar mercado, porém serviram de base para os veículos elétricos


6

híbridos. Estudos de veículos híbridos comerciais (ônibus) na cidade de Nova York

mostraram uma redução do consumo de combustível, agregado a uma redução dos

níveis de emissões [55].

Visando possibilitar simulações do consumo de combustível e emissões das

tecnologias híbridas, em 1994 foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de

Energia Renovável um programa chamado ADVISOR [56].

O ADVISOR é um programa de simulação para veículos convencionais,

veículos elétricos e veículos híbridos, projetado para obter as respostas dos

componentes principais, tais como motores a combustão, motores elétricos, baterias,

transmissões, em um determinado ciclo de tráfego de maneira rápida e eficiente,

como exposto no Capítulo 6 deste trabalho.

Outros programas foram sendo desenvolvidos no decorrer dos anos,

contribuindo para o avanço no campo das simulações de modelos matemáticos,

aquisições e análises de dados. Ainda neste trabalho vamos usar o programa de

simulação, MATLAB®.

Em grande parte a flexibilidade do ADVISOR está relacionada à facilidade

e flexibilidade de modelagem e simulação do Simulink®, parte integrante do pacote

MATLAB® oferecido pela MathWorks [56].

CAPÍTULO 2

SISTEMAS DE PROPULSÃO

2.1 Introdução

Os motores a combustão interna completaram 125 anos de existência em

2001. Diante das crescentes exigências ambientais (conforme exposto no Capítulo 1),

várias discussões têm surgido sobre novas tecnologias em substituição ao sistema

convencional de propulsão usando este tipo de motor [19].

Entre estas novas tecnologias, estão os VEHs, já presentes no mercado, por

exemplo, o Prius da Toyota, o Insight da Honda, o Escape da Ford. Todos possuem

um motor de combustão interna como a fonte preliminar de potência, e o motor

elétrico que provê potência durante a partida e durante a aceleração e, eventualmente,

também supre potência em condição de alta demanda. Novos modelos estão sendo

desenvolvidos por várias outras montadoras [20].

Quando falamos em mudar os sistemas convencionais de propulsão ou

desenvolver novos sistemas, vários fatores precisam ser considerados. É necessário

atender as necessidades do mercado e as regulamentações de emissões, e ainda

oferecer caracteristicas diferenciais como baixo consumo e alta potência, através do

desenvolvimento de novas tecnologias, conforme mostrado na Figura 2.1.

CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO

8

Figura 2.1 – Requisitos para novos sistemas de propulsão.

No Brasil, a utilização de novas tecnologias aplicadas aos sistemas de

propulsão passou a ser feita a partir de 1997 [21] com a entrada dos sistemas de

gerenciamento eletrônico dos MCIs. Depois de quase oito anos os MCIs ainda são o

melhor compromisso para atender as diferentes exigências com baixo custo.

Porém num futuro não muito distante, com a entrada de novas legislações, e

com os níveis de emissões permitidos cada vez mais restritos, as tecnologias híbridas

poderão se tornar mais comuns.

2.2 Características dos motores de combustão interna

A característica básica da maioria dos veículos é o acionamento feito com

um MCI, que converte a energia de um combustível (gasolina, diesel, álcool, gás

natural) em energia mecânica que é utilizada para acionar as rodas do veículo.

O MCI pode operar em diversas condições, porém existe um ponto “ótimo”

de operação, em que o MCI apresenta a maior eficiência e emite menos gases


9

poluentes, conforme mostra a Figura 2.2. Fora deste ponto “ótimo”, o consumo de

combustível é maior (menor eficiência) e por conseqüência a emissão de gases

poluentes é maior [23].

Figura 2.2 – Característica dos motores de combustão interna [3].

Quando os veículos estão em operação, é necessário haver várias

combinações de velocidade e de torque para que o MCI opere próximo à condição de

maior eficiência. Para atender esta necessidade existe a caixa de transmissão, que

tem como atributo principal fazer com que o motorista através da embreagem possa

mudar as marchas de maneira a adaptar a rotação/torque do motor às solicitações da

roda, buscando sempre trabalhar no ponto de maior eficiência [22].

A Figura 2.3 mostra o fluxo de energia num sistema de propulsão

convencional, onde a potência final gerada nos eixos é dada pela conversão da

energia química do combustível usado em energia mecânica, [23], que é transferida

às rodas através da caixa de câmbio.


10

Figura 2.3 – Fluxo de energia em sistemas de propulsão convencional.

Vários gases são liberados durante o processo de combustão. Se o processo

de combustão fosse perfeito, estes gases consistiriam apenas de dióxido de carbono

(CO2) e água (H2O), porém, como a combustão não é perfeita os gases de exaustão

também apresentam monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx),

hidrocarbonetos (HC) e outros. [21] e [23].

Em determinadas circunstâncias, pode ocorrer a combustão ideal em um

motor de combustão interna, também conhecida como combustão estequiométrica,

quando todos os hidrocarbonetos são transformados em CO2 e em H2O.

Podemos definir a mistura estequiométrica como sendo a razão da

quantidade de ar (m³) necessária para a combustão completa de 1m³ de combustível.

Visando determinar quanto a mistura ar-combustível se desvia do valor

estequiométrico, defini-se o coeficiente de ar Lambda (λ) com sendo a razão entre a

quantidade (m³) de ar disponível para a combustão de 1m³ de combustível, pela

quantidade (m³) de ar necessário para a combustão completa de 1m³ de combustível,

conforme Equação 2.1 [22]:

tricaestequiomélcombustívearMistura

empregadalcombustívearMistura�

��

est

real ⇔= Equação 2.1

Podemos classificar λ da seguinte maneira [23]:

• Quando λ<1, deficiência de ar e, portanto, uma mistura rica.


11

• Quando λ=1, mistura estequiométrica.

• Quando λ>1, excesso de ar e, portanto, uma mistura pobre.

2.3 Sistemas Híbridos

A redução das emissões é dependente do valor de λ [23] [14], que possui

uma única janela de trabalho, conforme mostrado na Figura 2.4.

Figura 2.4 – Emissão de CO, HC e NOx em função do coeficiente de ar λ [23].

Verificamos que a medida que λ vai se aproximando do valor

estequiométrico, λ=1 , a emissão de CO e HC diminui enquanto que a de NOx

aumenta. Porém, conforme o valor de λ ultrapassa o valor estequiométrico (faixa de

mistura pobre), a emissão de HC volta a aumentar, a de CO permanece baixa e a de

NOx diminui.

A grande questão é: O que fazer para atender os limites de emissões durante

as acelerações rápidas ou em transitórios de demanda de potência que acabam


12

forçando o valor de λ a sair da área de trabalho, e ao mesmo tempo melhorar a

economia de combustível, aumentar a autonomia, e diminuir os níveis de ruídos?

A resposta pode ser encontrada nos VEHs, que possibilitam a redução das

emissões, melhorias na economia de combustíveis e aumento da autonomia [17] [18]

[27] [34] [37] [38] [39]. Uma vantagem dos VEHs é a possibilidade de estabelecer

um controle de maneira que a potência seja fornecida pelo motor elétrico a medida

que λ aumenta, evitando-se quedas de torque características dos MCIs [25]. A Figura

2.5 [15] [40] mostra a perda de torque do MCI a medida que λ aumenta.

Figura 2.5 – Perda de torque em função de λ [40, página 44, figura 5.3].

2.4 Princípios de funcionamento dos VEHs

Tipicamente, os veículos elétricos híbridos usam um sistema de propulsão

que consiste de um motor elétrico e um motor de combustão interna, ou seja, operam

usando duas ou mais fontes diferentes de potência. O uso de duas fontes de potência

diferentes permite projetar o veículo explorando as vantagens de cada fonte [38].


13

Visando entender como funciona um VEH, é interessante primeiramente

recordar os princípios básicos de acionamento dos VEs.

2.4.1. Veículos Elétricos

Nos Veículos Elétricos o acionamento é feito através de um motor elétrico

(ME) que pode acionar diretamente as rodas, usando a energia armazenada em um

conjunto de baterias, ou ultra-capacitores [27]. Não existe aqui a necessidade de

caixa de transmissão. Os VEs são silenciosos, têm partida suave, poucas vibrações e

não emitem poluentes. São conhecidos como sendo uma tecnologia limpa [8] [33]

[41], onde a potência transferida às rodas é fornecida apenas pelo ME, conforme

Figura 2.6.

Figura 2.6 – Distribuição dos componentes no veículo elétrico.

As baterias armazenam a energia elétrica para operar um motor elétrico, e

este por sua vez, converte a energia elétrica em energia mecânica. Nos VEs não se

faz necessário o uso de transmissão convencional, nem sistema de exaustão

(escape+catalisador). Os veículos elétricos, entretanto, possuem determinadas

limitações [8]:


14

� Autonomia limitada e alto tempo de recarga

� As baterias são pesadas e requerem grandes espaços no veículo,

além de que seu ciclo de vida é relativamente curto.

� Baterias descartadas são altamente poluentes.

A Figura 2.7 mostra as características de acionamento de um sistema de

propulsão elétrica e de um veículo com MCI. No motor elétrico existe uma região em

que o torque é constante, uma característica fundamental dos motores elétricos, ou

seja, alto torque em baixas velocidades e baixo torque em altas velocidades.

Figura 2.7 – Características de acionamento de um VE e de um MCI [13].

2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos

Os Veículos Elétricos Híbridos com MCI podem ser classificados

genericamente como sistemas híbridos série ou paralelo [4]-[7]. No modo de série, o

Propulsão elétrica


15

motor a combustão aciona um gerador que carrega as baterias, que provê eletricidade

para o motor elétrico, que provê potência mecânica às rodas [8] [18]. No modo

paralelo, o motor de combustão interna e/ou o motor elétrico entregam potência

mecânica às rodas [10] [16] [27]. Também existe uma outra configuração de veículos

híbridos: os VEHs com célula a combustível (CaC), onde a potência elétrica é gerada

a partir de um conjunto de células a combustível (ex: Hidrogênio, Etanol) [65],

carregando as baterias e alimentando o motor elétrico que fornece potência mecânica

às rodas.

Os VEHs combinam a autonomia e facilidade de reabastecimento,

encontrados em um veículo convencional com MCI, com os benefícios ambientais e

o alto torque em baixas velocidades de um veículo elétrico [8]. Outras vantagens dos

VEHs incluem a economia de combustível, que dependendo do tipo de configuração

pode chegar a uma redução de 15% com frenagem regenerativa dos freios [66],

baixos níveis de emissões comparados aos veículos convencionais [9] [16], e redução

dos níveis de ruídos e vibrações.

2.4.2.1. Configuração Paralela

Na configuração paralela dos VEHs, tanto o motor a combustão quanto o

motor elétrico podem fornecer potência ao mesmo tempo [10] [16] [27], dependendo

da estratégia de gerenciamento de energia escolhida [17].

Os VEHs possuem um tanque de combustível para acionar o MCI, e um

conjunto de baterias que fornece a energia elétrica requerida pelo ME.

Notar pela Figura 2.8 que o motor a combustão e o motor elétrico estão

conectados a transmissão de maneira independente, o que requer um sistema de

controle de potência de maior precisão [12].


16

Figura 2.8 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração paralelo.

Na configuração paralela, os VEHs não precisam de um gerador dedicado,

pois o próprio motor elétrico é usado como gerador para recarregar as baterias. A

desvantagem comparada à configuração série é que o sistema requer uma estratégia

de controle mais sofisticada [12]. A seguir, Figura 2.9, o fluxograma de energia na

configuração paralela:


17

Figura 2.9 – Fluxograma de energia na configuração paralela.

2.4.2.2. Configuração Série

Na combinação série, os VEHs possuem um MCI em série com um gerador

em série com um ME. A idéia principal nesta configuração é fazer com que o MCI

trabalhe dentro do ponto "ótimo" de operação, onde é maior a eficiência e menor a

emissão de gases poluentes [23], uma das vantagens deste tipo de configuração.

As conexões elétricas e mecânicas são mostradas na Figura 2.10 [10], e o

fluxograma de energia para esta configuração também é apresentado na Figura 2.11.

A potência requerida pelo ME é fornecida pela bateria [7], e quando o estado de

carga (SOC) da bateria está dentro do mínimo pré-determinado, o MCI aciona o

gerador para recarregar a bateria. Em geral, o sistema de controle desliga o MCI

quando a bateria está com o SOC desejável [53] [10].


18

Nos VEHs em série não existe nenhuma conexão mecânica entre o MCI e as

rodas [10], havendo necessidade de duas conversões de energia entre o MCI e as

rodas (MCI� Gerador � Bateria � ME), levando a perda de energia por causa das

resistências internas dos acoplamentos mecânicos e fricção [9] [10]. Nestas

configurações, a caixa de transmissão deixa de ser necessária, constituindo-se numa

vantagem de custo [8].

Uma desvantagem da configuração serie diz respeito ao tamanho da bateria

e do ME, que acaba aumentando ainda mais as perdas durante o processo de carga e

descarga da bateria [12].

Figura 2.10 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração série.


19

Figura 2.11 – Fluxograma de energia na configuração série.

2.4.3. Índice de hibridização

Ao projetar um VEH, é importante saber qual é o grau de hibridização de

maneira que o MCI e o ME possam ser corretamente dimensionados, o que acaba

sendo um dos assuntos mais complicados no desenvolvimento do sistema de

propulsão híbrido. Tradicionalmente, simulações são feitas visando determinar a

melhor escolha, porém estas simulações são complexas e acabam consumindo uma

boa parte do tempo do desenvolvimento [67]. Para se tomar uma decisão, os

seguintes fatos devem ser considerados:

• Para um veículo que tem o ME como o sistema de propulsão

principal, o MCI será consideravelmente menor e o conjunto bateria

e o ME serão grandes [8], ocupando um grande espaço no veículo e

aumentando consideravelmente o peso do veículo.

• Para um veículo com maior domínio do MCI, o ME será menor, e

possivelmente vai requerer um conjunto menor de bateria.

A grande maioria dos VEHs em produção foi desenvolvida com maior


20

domínio dos MCIs. As razões estão na redução significativa do peso que influencia

diretamente no desempenho do sistema como um todo [68], na relativa facilidade de

implementação e no custo [67].

Visando justamente quantificar o grau de hibridização, foi criado o índice

DOH (Degree of Hybridization) [8], Equação 2.2:

MCIPotênciaMEPotênciaMEPotência

DOH+

= Equação 2.2

Temos, então:

0 � DOH � 1

• Quanto menor o índice � Maior será o domínio do MCI. Para

DOH=0, temos um veículo com motor de combustão interna

convencional.

• Quanto maior o índice � Maior será o domínio do ME. Para

DOH=1, temos um veículo puramente elétrico.

Este índice ajuda a decidir qual tipo de estratégia de controle usar para cada

componente, por exemplo, se DHO = 0,4, podemos escolher uma estratégia de

controle mais apurado para o MCI. A razão desta escolha pode ser explicada levando

em consideração o fato de que as variáveis associadas ao MCI possuem maiores

tendências de afetar a eficiência em termos de consumo de potência do que as

variáveis associadas ao ME [67].

CAPÍTULO 3

BATERIAS

3.1 Introdução

Do capitulo anterior, é possível afirmar que a bateria é componente

essencial nas configurações dos VEHs apresentadas, o que torna fundamental

entender o princípio de funcionamento deste componente. Assim, neste capítulo

serão apresentados alguns tipos de baterias, e suas desvantagens e vantagens. Depois

disso, vamos modelar a capacidade da bateria (CAP) e o seu estado de carga (SOC).

3.2 Caracterização de parâmetros

As baterias consistem de células eletroquímicas, que normalmente são

conectadas em série [8]. As células convertem energia química em energia elétrica

[11], provendo a corrente elétrica necessária para acionar uma série de componentes

elétricos, incluindo o motor elétrico dos VEHs. Alguns componentes básicos de uma

bateria chumbo-ácido (PbO) são mostrados na Figura 3.1.

A decisão sobre qual tipo de bateria usar em uma aplicação VEH, depende

do desempenho e comportamento que se deseja obter da bateria [30]. Alguns

parâmetros que devem ser levados em consideração e que afetam o comportamento e

o desempenho de uma bateria serão brevemente descritos a seguir.

CAPÍTULO 3 – BATERIAS

22

Figura 3.1 – Bateria elétrica [77].

3.2.1. Capacidade - Cp

A capacidade de bateria é uma medida de quanta energia a bateria pode

armazenar em Ampere-hora, definida pela Equação 3.1 [28]:

TICp k ×= Equação 3.1

onde Cp é a capacidade de Peukert, dado em Ampère-hora [Ah], k é a

constante de Peukert, I é a corrente média de descarga [A], e T é o tempo de descarga

[h].


23

A capacidade da bateria é afetada diretamente pela corrente que é drenada

durante a descarga e pela queda da temperatura [23], ou seja, a capacidade da bateria

é reduzida a medida que a taxa de descarga aumenta, ou a medida que a temperatura

ambiente cai.

Como exemplo, para uma bateria de 56Ah, significa dizer que a bateria

pode prover 1A por 56 horas, ou 2A por 28 horas, ou na teoria 56A por 1 hora, pois

na prática dificilmente uma bateria conseguiria manter 56A por 1 hora [8].

3.2.2. Energia - E

A energia (E), em Watt-hora (Wh) de uma bateria, depende da tensão

medida nos terminais da bateria (Vbat) e da capacidade (Cp), representada pela

Equação 3.2 [8].

CpVE bat ×= Equação 3.2

onde Vbat pode ser obtida medindo-se a tensão nos terminais da bateria em

circuito aberto, ou seja, sem nenhum componente conectado aos terminais da bateria,

conforme mostrado na Figura 3.2, e também, através de testes com algum

componente conectado à bateria totalmente carregada [31], onde Vo é tensão interna

de circuito aberto.

Figura 3.2 – Modelo linear de uma bateria.


24

Ou seja:

intRIVV batobat ×−= Equação 3.3

onde Ibat é a corrente elétrica gerada em função dos componentes conectados

aos terminais positivo e negativo da bateria, e Rint é a resistência interna da bateria.

Devemos tomar cuidado com a aplicação da Equação 3.2 na determinação

da energia da bateria, pois conforme mencionado no item 3.2.1, a capacidade Cp

varia em função da taxa de descarga requerida, e também a tensão Vbat é dependente

de outros fatores que serão mais bem detalhados no item 3.4.1.

3.2.3. Densidade de Energia

Densidade de energia é uma medida da quantidade de energia que pode ser

extraída de uma bateria por unidade de volume, dada em Wh/l (Watt-hora/litro). É

um parâmetro importante, pois pode trazer sérios impactos de espaço no

desenvolvimento do veículo, devido ao volume da bateria.

3.2.4. Energia Específica

É uma medida da quantidade de energia por cada quilograma de bateria,

dada em Wh/kg (Watt-hora/quilograma). Uma vez conhecida a energia necessária

para a aplicação e sabendo qual é a energia específica, temos uma boa aproximação

para a massa da bateria.

3.2.5. Potência Específica

É a medida da quantidade de potência por cada quilograma de bateria, dada

em W/kg (Watt/quilograma). Este parâmetro depende em grande parte da carga

conectada à bateria. Pode acontecer de muitas baterias possuírem boa energia


25

específica, porém baixa potência específica, o que significa dizer que a bateria pode

armazenar grande quantidade de energia, porém não pode entregar esta energia

rapidamente, devido à baixa potência específica.

3.2.6. Eficiência

A eficiência da bateria é dada pela relação entre a energia fornecida pela

bateria, em uma descarga, pela energia necessária para recarregar a bateria de

maneira que retorne ao estado inicial (antes da descarga). Este vem sendo um

argumento favorável na implementação dos VEs [8], pois a eficiência das baterias é

incontestável quando comparada a outras fontes de energia, mesmo em situações

extremas de carga e descarga.

3.3 Sistemas de armazenamento de energia - Baterias

Atualmente, várias tecnologias de baterias vêm sendo comercializadas no

mercado, porém muita pesquisa ainda está sendo realizada na busca de baterias mais

avançadas, com maior autonomia para aplicações em VEHs, VEs, e veículos

elétricos híbridos com células a combustível (VEHCaC) [32].

A seguir, apresentaremos algumas características das tecnologias que estão

sendo usadas atualmente, incluindo as vantagens e desvantagens de cada bateria. É

importante ressaltar que daremos maior ênfase à tecnologia Hidreto Metálico de

Níquel (NiMH) e à tecnologia Lítio-Íon, uma vez que pesquisas na área de sistemas

de armazenamento [32] indicam que estas duas tecnologias atendem os objetivos de

custo e desempenho desejados.


26

3.3.1. Baterias Chumbo-ácido (PbO)

São as baterias mais usadas mundialmente nos veículos com MCI [8]. Uma

das características notáveis nestas baterias está relacionada à sua baixa resistência

interna, o que significa dizer que Vbat � Vo na Equação 3.3. A reação química é

mostrada na Figura 3.3.

Figura 3.3 – Célula chumbo-ácido.

Estas baterias possuem baixo custo por Watt-hora, porém tem como

desvantagem a baixa energia específica por célula, requerendo baterias de grande

massa em aplicação nos veículos que requerem uma maior autonomia.

3.3.2. Baterias Níquel-Cádmio (NiCd)

Estas baterias foram largamente estudadas em aplicações de VEs, como

exemplo no Peugeot 106, Citroen AX, Ford Th!nk. Para o pólo positivo, usa-se

hidróxido de níquel, e no pólo negativo cádmio metálico. São baterias de alta

durabilidade e grande vida média [33], porém seu alto custo é um fator inibidor. Em

geral, seu custo chega a ser cerca de três vezes superior ao das baterias chumbo-

ácida, apesar de existir uma grande perspectiva de redução no futuro [35].


27

3.3.3. Baterias Hidreto Metálico de Níquel (NiMH)

Estas baterias possuem alta eficiência e podem ser recarregadas

rapidamente. Em termos gerais, possuem maior densidade de energia e densidade de

potência que as baterias NiCd [8] [33]. Como exemplo, admitamos que seja

necessário uma bateria de 672 Wh. Considerando que a NiMH possui uma densidade

de energia de 150 Wh/L e a NiCd de 70 Wh/L [8] [35], concluímos que o volume da

NiMH será bem menor que o da NiCd.

Atualmente, entre todas as baterias, a tecnologia NiMH tem grande

destaque, sendo comumente usadas em VEHs [10], como exemplo, no Toyota Prius e

no Honda Insight. Com o incremento mundial do volume de vendas, há expectativa

de queda nos custos num futuro próximo. A seguir, a Tabela 3.1 mostra algumas

características da bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32].

Tabela 3.1 – Bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32].

3.3.4. Baterias Lítio-Íon

Estas baterias apresentam maior densidade de energia dentre todas as

baterias apresentadas até o momento. É considerada como sendo a mais promissora

entre todas as baterias recarregáveis do ponto de vista de redução de peso [8]. Sua

aplicação na indústria automobilística está em patamares bastante reduzidos, isso em

grande parte devido aos altos custos. Visando investigar e avaliar as características

de desempenho destas baterias, um veículo conceito e-KA foi desenvolvido pela

parâmetro Caracteristicas NiMH

Potência específica (W/kg) 1125 Densidade de potência (W/L) 2100 Energia específica (Wh/kg) 52


28

Ford Forschungszentrum Aachen (FFA), equipado com uma bateria Lítio-Íon da

SAFT.

Uma séria desvantagem desta tecnologia é a necessidade de uma maior

monitoração durante o processo de recarga [22] [42], visando evitar danos à bateria,

e principalmente evitar acidentes fatais, uma vez que existe o risco de explosões em

caso de sobrecarga [42]. Outro ponto negativo destas baterias está relacionado à

instabilidade térmica, especialmente para células maiores, necessárias em VEHs.

Além disso, o desempenho cai drasticamente a temperaturas extremas (acima de 65

ºC ou abaixo de 0 ºC) [36].

A seguir, a Tabela 3.2 mostra algumas características e uma bateria Lítio-

Íon produzida pela SAFT [32].

Tabela 3.2 – Bateria Lítion-Íon SAFT [32].

3.4 Modelo matemático

Vários parâmetros precisam ser considerados na modelagem das baterias, e

o maior desafio está em lidar com suas características não lineares [30] [31].

Em VEHs, uma informação muito importante é o estado de carga da bateria,

que indica a quantidade de energia elétrica armazenada na mesma. O SOC se refere à

capacidade residual de uma bateria, variando entre 0 e 1, onde 0 representa uma

bateria totalmente descarregada e 1 uma bateria com plena carga. É definida pela

Equação 3.4 [28] [29]:

parâmetro Caracteristicas Lítion-íon

Potência específica (W/kg) 900 Densidade de potência (W/L) 1450 Energia específica (Wh/kg) 75


29

)tt(

)tt()tt()tt( Cp

CpuCpSOC

δ

δδδ

+

+++

−= Equação 3.4

Conforme visto no item 3.2.1, Cp é a capacidade total da bateria dado em

Ah, e Cpu é a capacidade usada.

É importante estabelecer limites apropriados no controle do SOC, como no

Toyota Prius que possui limites de controle entre 40% e 80% [26]. Medições tanto no

Toyota Prius e no Insight da Honda indicam que durante o processo de carga e de

recarga o SOC permanecia em torno de 50%.

Para que o SOC seja mantido dentro de limites seguros [69] [42], é essencial

conhecer como este parâmetro se comporta. Devido à natureza das baterias, que

dependem de muitos fatores como temperatura, capacidade de bateria e resistência

interna, o SOC não é uma quantidade fácil para se determinar, e existem vários

modelos disponíveis [31]. Neste trabalho, apresentaremos o modelo de Thevenin, o

mais comumente utilizado por considerar as variações da resistência interna devido à

temperatura e ao estado de carga. Este modelo também é implementado no programa

ADVISOR [36].

3.4.1. Modulo Thevenin

De acordo com [69], [70] e [71] existe uma relação linear entre o SOC e a

tensão de circuito aberto, dada pela Equação 3.5 [69]:

ab)t(V

)t(SOCb)t(SOC*a)t(V OO

−=⇔+= Equação 3.5

Os parâmetros a e b podem ser obtidos seguindo-se a seqüência abaixo [69]:

� Obtenção de b: conhecendo Cp (dado informado no catálogo da


30

bateria), aplica-se uma taxa de descarga Cpu de maneira que toda a

capacidade Cp da bateria seja consumida, ou seja, SOC = 0%. Logo,

b=Vo(t), onde Vo(t) pode ser obtido medindo-se a tensão nos

terminais da bateria no momento em que toda a capacidade da

bateria for consumida.

� Obtenção de a: Com o valor encontrado de b e conhecendo a tensão

máxima (Vmax) da bateria (dado informado no seu catálogo), fazemos

Vo(t)=Vmax e SOC = 100%. Logo, a=Vmax – b.

Segundo [69] e [70], o modelo que melhor representa o comportamento

dinâmico de uma bateria para aplicações em veículos elétricos ou híbridos é dado

pelo circuito elétrico da Figura 3.4. Isso se deve ao fato de que este modelo considera

os seguintes fatores:

� Energias perdidas (elétricas e químicas) durante o processo de carga

e descarga.

� Transitórios de corrente, presentes nas aplicações VEs e VEHs [32],

incluindo a capacitância de polarização, que segundo [69] estaria em

torno de 40 F.

� Eletrólise da água e outros efeitos devido à temperatura.

Figura 3.4 – Modelo matemático de uma bateria [69] [70].


31

Onde:

Vo é a tensão de circuito aberto.

Rd é a resistência equivalente de descarga da bateria.

Rc é a resistência equivalente de carga da bateria.

Rd é a resistência equivalente de descarga da bateria.

Rbat é a resistência no terminal da bateria.

C é a capacitância de polarização representando a difusão química do

eletrólito da bateria [69].

Os diodos mostrados na Figura 3.4 estão presentes apenas para indicar o

fluxo da corrente e não têm nenhum significado físico na bateria [70].

Assim, temos a seguinte condição:

� Durante o processo de carga, Vbat é maior que Vo devido à queda de

tensão na resistência Rc.

� Durante o processo de descarga, Vbat é menor ou igual a Vo devido à

queda de tensão na resistência Rd.

Considerando o processo de descarga da bateria e aplicando a lei de

Kirchhoff no circuito da Figura 3.4, temos:

)4(

)3(

)2(

)1(0.

1

1

→−

=

→=

→+=

→=−−

bat

batpb

pc

cb

pdo

R

VVi

dt

dVCi

iii

ViRV

Pondo (3) em (2) e depois em (1) temos a Equação 3.6:

CR

V

Ci

CRV

dt

dV

d

pb

d

op −−= Equação 3.6


32

De (4) temos a Equação 3.7:

bbatpbat iRVV .−= Equação 3.7

Para a obtenção de Vbat, é preciso encontrar Vp na Equação 3.6. Esta, porém,

só pode ser obtida a partir de Vo, que é um parâmetro difícil de ser determinado,

porém bastante explorado por Baskar [70]. Vale lembrar que ib pode ser medida e,

que Rbat é definida no catálogo da bateria.

CAPÍTULO 4

MÁQUINAS ELÉTRICAS

4.1 Introdução

Para conseguir alcançar uma alta eficiência nos VEHs, é necessário entender

como cada componente funciona, e com isso buscar minimizar o total de perdas.

Conforme mencionado no capitulo 2, os VEHs operam usando duas ou mais fontes

diferentes de potência, tipicamente um motor de combustão interna, e um motor

elétrico, que pode também operar como gerador nas configurações em paralelo [9]

[46] [47]. Assim, neste capítulo vamos rever alguns conceitos e princípios de

funcionamento das máquinas elétricas (motores/geradores). Para efeito de estudo

vamos modelar e discutir as características, vantagens e desvantagens dos motores de

corrente contínua (MCC) e dos motores CA de indução magnética (MIM).

4.2 Fundamentos gerais sobre máquinas elétricas

Máquinas elétricas podem ser classificadas amplamente em duas categorias

dependendo do tipo de torque, que pode ser de excitação ou de relutância. Em

ambos, o torque é produzido pelo princípio de alinhamento, ou seja, a tendência de

alinhamento de dois campos magnéticos [52].

Boa parte das máquinas elétricas opera usando o princípio do torque de

excitação [8], seja pela energização das bobinas ou pela aplicação de correntes

elétricas.

Na categoria de torque de relutância, o movimento é produzido por causa da

resistência magnética variável (relutância) entre o rotor e o estator. Quando o estator

CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS

34

é energizado, um único campo magnético é gerado, e o torque de relutância é

produzido pela tendência do rotor em mover para a sua posição de relutância

mínima.

A Figura 4.1 mostra uma das características típicas das máquinas elétricas,

que é justamente o alto torque em baixas velocidades. Esta característica é bastante

interessante quando olhamos os ciclos de emissões dos veículos, que faz dos motores

elétricos peças fundamentais na estratégia de controle de emissões dos VEHs. Com

isso será possível estabelecer um controle de maneira que durante os transitórios,

onde as emissões são maiores [18] [22] [23], a potência seja fornecida pelo motor

elétrico, evitando-se assim as perdas de torque dos MCIs [15] [40].

Figura 4.1 – Características das máquinas elétricas.

4.3 Tipos de motores elétricos

Dentre os diversos tipos de motores, podemos classificá-los como motores

de corrente contínua (CC) e motores de corrente alternada (CA). A Figura 4.2


35

apresenta alguns tipos de motores de acordo com esta classificação:

Figura 4.2 – Classificação de alguns motores elétricos.

Atualmente, existem quatro tipos de motores/geradores elétricos sendo

usados em VEs e VEHs [45]. São eles: motor de corrente contínua (MCC), motor de

indução magnética (MIM), motor de ímã permanente (MIP), e motor de relutância

chaveado (MRC), sendo que os MIMs e os MIPs são os mais comuns em aplicações

nos VEHs [46]. Neste trabalho apresentamos alguns conceitos dos MCCs e MIMs.

4.3.1. Motores de corrente contínua (MCCs)

Os MCCs são máquinas simples em termos de controle e operação quando

comparados com os outros tipos de máquinas. Apresentam a possibilidade de uma

regulação precisa da velocidade através da variação da tensão, porém são máquinas

relativamente caras, e com altos índices de manutenção [41].

A Figura 4.3 mostra um corte esquemático de um MCC clássico. Como as


36

demais máquinas elétricas, o MCC é constituído por duas partes principais:

� Estator: circuito magnético fixo, onde está implantado o circuito de

excitação destinado à criação do fluxo indutor.

� Rotor: parte móvel, que possui duas peças fundamentais: o

enrolamento do induzido onde se processa a conversão de energia

mecânica em elétrica e vice-versa, e o coletor, que constitui um

conversor mecânico de "corrente alternada para corrente contínua"

ou vice-versa.

Figura 4.3 – Corte de uma máquina de corrente contínua.

Do ponto de vista do acionamento do MCC, é possível definir no plano

torque x velocidade quatro regiões de operação, como indicado na Figura 4.4. Notar

que dependendo da direção do torque produzido e da velocidade do eixo, a máquina

tanto pode trabalhar como motor quanto como gerador, característica esta

fundamental nas configurações paralelas dos VEHs.

1- Carcaça 2- Pólos de indução do estator 3- Enrolamentos do estator 4- Pólos de comutação 5- Enrolamentos de comutação 6- Rotor


37

Figura 4.4 – Quadrantes de operação das máquinas elétricas.

4.3.1.1. Modelo matemático

O modelo matemático de um MCC é bastante simples. A velocidade é

controlada de acordo com a tensão aplicada va. Aplicando a lei de Kirchhoff no

circuito da Figura 4.5, temos a Equação 4.1:

Figura 4.5 – Modelo simples de um MCC com excitação independente.

edtdi

LiRv aaaaa ++=

Equação 4.1


38

Onde:

va é a tensão aplicada na armadura

La é a indutância do enrolamento da armadura

Ra é a resistência do enrolamento da armadura

e é a força contra eletromotriz

T é o torque fornecido pelo motor

J é o momento de inércia equivalente do motor

� é a velocidade angular do motor

ia é a corrente do enrolamento da armadura

Kf é o coeficiente de fricção - viscosa

Considerando o fluxo constante, a tensão induzida e é diretamente

proporcional à velocidade angular [43] [49]. Logo, temos a Equação 4.2, onde Ke é a

constante da força eletromotriz, dada em (V/rad/s).

ωeKe = Equação 4.2

Combinando as Equações 4.1 e 4.2, teremos:

a

a

a

e

a

aaa

a

Lv

LK

LiR

idtdi +ω−−==

•

Equação 4.3

O torque produzido pelo motor é aplicado ao momento de inércia e à fricção

viscosa, conforme mostra a Figura 4.5. Assim, aplicando-se a segunda lei de Newton

temos:

Tdtd

Kdt

dJ f =+ θθ 2

Equação 4.4


39

Como:

ωθ =

dtd

logo temos:

J

K

JT

dtd f ωωω −==

•

Equação 4.5

onde

amff iKiKT =

Nos MCCs com excitação independente, a corrente do campo de excitação if

é mantida constante [48], que resulta em um fluxo constante. Logo, T torna-se

diretamente proporcional à corrente ia e assim temos:

amiKT =

onde Km é a constante relacionada às propriedades do motor, dada em

[Nm/A].

Colocando o sistema na forma de equeção de estados [50], temos:

[ ] [ ] ��

��

�×=

×��

�

�

��

�

�+�

�

��

�×

��

�

�

��

�

�

−

−−=

��

�

�

��

�

�

•

•

ω

ωω

a

aaa

fm

a

e

a

a

a

iy

vLi

J

K

JK

LK

LR

i

10

0

1

Equação 4.6

Variáveis de estados:

ia : corrente do enrolamento da armadura

ω : velocidade angular

Entrada:

va : tensão aplicada na armadura


40

Saída:

ω : velocidade angular

Aplicando a transformada de Laplace no sistema de Equações 4.6, obtemos

um sistema de equações algébricas:

aaa

ea

a

aaa V

LW

LK

ILR

isI1

)0( +−−=− Equação 4.7

WJ

KI

JK

sW fa

m −=− )0(ω Equação 4.8

WY = Equação 4.9

Adotando condições iniciais nulas, e resolvendo o sistema de equações

algébricas para obter a saída Y em função da entrada Va, teremos a função de

transferência G(s):

meafaafa

m

aa

KKRKsJRLKsJLK

sG

VW

VY

sG

++++=

==

)()(

)(

2

Equação 4.10

Vale salientar que o modelo obtido é válido tanto para os motores CC

clássicos, como para os motores CC do tipo BrushLess (BL) que são mais

comumente usados em aplicações VEHs [8]. A diferença básica está relacionada ao

fato dos motores MCCBLs possuírem três fases [8] que requerem um cálculo

diferente das resistências e indutâncias.

4.3.1.2. Diagrama de blocos e simulação

Uma vez que Kf é muito pequeno [73] [75], podemos reescrever a Equação


41

4.10 da seguinte forma:

meaa

m

aa

KKsJRsJLK

sG

VW

VY

sG

++=

==

2)(

)(

Equação 4.11

Assim, temos a seguinte representação em diagrama de blocos para o

sistema descrito pela Equação 4.6.

Figura 4.6 – Diagrama de blocos de um MCC.

4.3.1.3. Comparativo entre MCC e MCCBL

A Tabela 4.1 apresenta as principais diferenças entre um MCC convencional

e um motor MCCBL [75]:

Característica MCC MCCBL Comutação Comutação através de

escovas Comutação eletrônica baseada na posição dos sensores Hall

Manutenção Alta, requer manutenção periódica

Baixa

Período de vida Baixo Alto Eficiência Moderada Alta Potência Baixa potência, muitas

perdas térmicas Alta potência com devido às baixas perdas térmicas

Custo Menor Maior Sistema de controle Simples e barato Complexo e caro Tabela 4.1 – Comparativo entre um MCC convencional e um MCC Brushless


42

4.3.2. Motores de indução magnética (MIMs)

O tipo de motor elétrico mais utilizado e difundido no meio industrial são os

motores de indução magnética. Sua principal vantagem é a eliminação do atrito de

todos os contatos elétricos deslizantes e uma construção bastante simples [51], que

possibilita redução de custo. Estas máquinas são fabricadas para uma grande

variedade de aplicações. São máquinas robustas [53] e que requerem baixa

manutenção [8]; por outro lado, são máquinas que requerem um controle mais

apurado [8] [9] [53].

Conforme verificado na Figura 4.1, existem dois tipos de enrolamentos nas

máquinas de indução:

� Rotor Gaiola de Esquilo

� Rotor Bobinado

Uma vez que MIMs do tipo Rotor Bobinado são motores de grande porte e

requerem maiores cuidados de manutenção [53], eles não são recomendáveis em

VEHs, ao contrário do tipo Gaiola de Esquilo, que são máquinas de menor peso e

praticamente não requerem manutenção. A Figura 4.8 apresenta um MIM e seus

principais componentes.

As máquinas de rotor em gaiola de esquilo possuem um rotor constituído

por um núcleo de ferro no qual se encontram condutores ligados na periferia através

de anéis de curto circuito adequadamente situados nas extremidades do rotor.


43

Figura 4.7 – Corte lateral de um MIM [52].

O princípio básico de funcionamento de um motor de indução magnética

está relacionado ao campo magnético girante. Este campo é produzido considerando-

se que, na Figura 4.9, os enrolamentos a-a’, b-b’, c-c’ são três bobinas independentes

(ou fases abc) [52], defasadas de 120° elétricos no espaço [8], e que por elas

circulam correntes trifásicas defasadas de 120° no tempo.

Quando a máquina está em operação, apenas uma atuação na velocidade do

rotor ou na alteração do fluxo pode afetar o funcionamento do motor [48].


44

Figura 4.8 – Seção de um MIM.

4.3.2.1. Formas de controle

Conforme mencionado anteriormente, o controle dos MIMs é bastante

complexo, e de acordo com [52], existem diversos procedimentos clássicos de

controle dos MIMs, os quais serão apenas mencionados neste trabalho.

� Variação de tensão e freqüência constante: É uma estratégia indicada

para cargas de torque crescente, com baixo valor de torque de

arranque (partida) e motores de maior resistência [54]. A máquina

fica sub-excitada com tensão inferior à nominal e isto reduz a

disponibilidade de torque.

� Variação de tensão e freqüência (V/F constante): Recomendados

para máquinas elétricas de baixa dinâmica, onde a estratégia é

manter o fluxo nominal constante durante a variação da velocidade,

visando obter torque máximo sem saturação [54], e também manter

um baixo escorregamento de maneira a garantir um bom rendimento.


45

� Controle vetorial: São controles para máquinas elétricas altamente

dinâmicas e baseiam-se em modelos de regime dinâmico bem mais

confiáveis do que em modelos estáticos.

A Figura 4.10 mostra um sistema de controle com um inversor, que

possibilita a potência fluir bidirecionalmente [74], ou seja, permite que a máquina

trabalhe tanto como motor quanto como gerador. Um detalhamento completo dos

princípios de funcionamento e das diferentes maneiras de controle dos MIMs podem

ser encontradas em [52] e [74].

Figura 4.9 – Sistema de controle de um MIM.

4.3.2.2. Modelo Matemático

No momento, a maioria dos veículos em produção usa um motor de CC para

dar partida no MCI, e depois o alternador é usado para geração de potência elétrica.

Muitas pesquisas vêm sendo realizadas no sentido de investigar se uma única

máquina poderia agregar esta duas funções. As máquinas de indução são as

candidatas mais promissoras nesses estudos [57], ou seja, dar partida e ao mesmo

tempo suprir potência elétrica.


46

O motor de indução é normalmente representado por um modelo

matemático em coordenadas do eixo polar “direito” ou “d” e o interpolar de eixo de

“quadratura” ou “q” em movimento [9] [48] [52]. Por se tratar de sistemas de

controle bastante complexos [46] [52], que fogem do escopo deste trabalho,

apresenta-se apenas uma modelagem simplificada destes motores. O esquema

elétrico equivalente do motor de indução é mostrado na Figura 4.11.

Figura 4.10 – Esquema elétrico equivalente de um MIM.

Neste caso, as perdas no entreferro não são consideradas. O comportamento

dinâmico pode ser demonstrado de várias maneiras conforme apresentado em [52]

[53] [57] [60].

Da Figura 4.11 obtemos o seguinte sistema:

Consideramos as tensões, correntes e fluxos no motor por fase (sub-índices

1, 2, 3), como sendo:


47

[ ]

[ ]

[ ]

[ ] rotordofasedeCorrentesSIII

I

estatordofasedeCorrentesSIII

I

rotordofasedeTensõesRUUU

U

estatordofasedeTensõesSUUU

U

3,2,1

2R

2R

1R

2

3,2,1

3S

2S

1S

1

3,2,1

3R

2R

1R

2

3,2,1

3S

2S

1S

1

→��

�

�

��

�

�

=

→��

�

�

��

�

�

=

→��

�

�

��

�

�

=

→��

�

�

��

�

�

=

Em funcionamento normal os enrolamentos do rotor estão em curto-circuito

[73], o que significa dizer que:

[ ] 0

3

2

1

2 =��

�

�

��

�

�

=

R

R

R

U

U

U

U

Assim, podemos representar na Figura 4.12 o circuito elétrico equivalente

de um MIM em regime permanente:

Figura 4.11 – Esquema elétrico equivalente de um MIM em regime permanente.

Para efeito de simulação vamos considerar as reatâncias do sistema, e


48

conforme apresentado em [63], temos o circuito equivalente mostrado pela Figura

4.13, em termos monofásicos:

Figura 4.12 – Esquema monofásico de um MIM em regime permanente.

Onde:

R1 é a resistência por fase efetiva do estator

X1 é a reatância de dispersão por fase do estator

R2 é a resistência por fase efetiva do rotor

X2 é a reatância de dispersão por fase do rotor

Xm é a reatância de magnetização do núcleo

UR1 é a tensão de fase aplicada no motor

I1 é a corrente no estator

I2 é a corrente no rotor

R2/s representa o efeito combinado de carga no eixo e resistência do rotor

A maior utilidade do circuito equivalente para um MIM é sua aplicação no

cálculo do desempenho da máquina. Todos os cálculos são feitos em termos

monofásicos, admitindo-se uma operação balanceada da máquina [63].

A partir da Figura 4.13, e os parâmetros da Tabela 4.2 é possível simular o

comportamento do torque em função da velocidade dos MIMs, Figura 4.14. Para

maiores detalhes do arquivo Matlab usado para simulação, ver Apêndice A.


49

Parâmetro Descrição Valor Unidade UR1 Tensão por fase 254 [V] R1 Resistência do estator 0.1 [�] R2 Resistência do rotor 0.2 [�] X1 Reatância do estator 0.75 [�] X2 Reatância do rotor 0.4 [�] Xm Reatância de magnetização 20 [�] ns Velocidade de sincronismo 1800 [RPM]

Tabela 4.2 – Parâmetros para simulação de um MIM 73,5 KW.

Figura 4.13 – Comportamento torque x velocidade de um MIM.

Na Figura 4.14 estão representadas as grandezas mais utilizadas nos estudos

das máquinas de indução [53] [63] [68], onde:

� Se s<0, o torque é negativo e a máquina converte energia mecânica

em elétrica, funcionando como gerador.

� Se 0<s<1, a máquina fornece um toque positivo e converte energia

elétrica em mecânica, funcionando como motor.


50

� Se s>1, a máquina funciona como freio elétrico. Isto significa que

absorve potência elétrica e mecânica convertendo-as em calor.

4.3.2.3. Comparativo entre MCCBL e MIM

A seguir, a Tabela 4.3 mostra uma comparação entre os motores de corrente

contínua sem escovas (MCCBL) e os motores de indução magnética (MIMs) [75]:

Característica MCCBL MIM Torque / Velocidade Torque linear em todas as

faixas de velocidade Baixo torque em velocidades abaixo da velocidade síncrona

Inércia do rotor Baixa, características dinâmicas excelentes

Elevada, características dinâmicas pobres

Sistema de partida Simples Complexo Sistema de controle Requer controle constante, e o

mesmo controle pode ser usado para variar a velocidade

Para velocidades fixas, nenhum sistema de controle é necessário.

Potência Alta potência com devido às baixas perdas térmicas

Potência moderada

Tabela 4.3 – Comparativo entre um MCC Brushless e um MIM.

CAPÍTULO 5

DINÂMICA VEICULAR

5.1 Introdução

Neste capítulo serão discutidos alguns princípios básicos relacionados à

dinâmica veicular longitudinal. Descreveremos os modelos de simulação através de

algumas equações.

5.1.1. Fundamentos de dinâmica veicular

A simulação da dinâmica longitudinal é frequentemente usada para

comparar a importância das características de equilíbrio de energia para veículos que

fazem uso de conceitos de propulsão diferentes sem a necessidade de construir

protótipos que requerem tempo e de alto custo.

As equações físicas básicas do movimento longitudinal do veículo são

fundamentais para entender as relações causa-efeito entre o motorista, veículo e solo.

Algumas variáveis de entrada são:

� Ciclo de tráfego

� Especificações do veículo (por exemplo, resistência de rolamento,

resistência do ar, peso)

� Especificações de componentes individuais (por exemplo,

características de perda de desempenho da caixa de câmbio)

A análise dos resultados de simulação é usada para verificar se as

especificações do projeto foram satisfeitas; por exemplo:

� Dirigibilidade

CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR

52

� Velocidade máxima

� Aceleração de 0 a 100 Km/h

� Dados de consumo e emissões de poluentes

Para este estudo e as simulações apresentadas no Capítulo 6, serão levados

em consideração as relações físicas fundamentais, especificações técnicas e mapas de

consumo de combustível obtidos em modo de operação estacionário, ou seja, em

testes de componentes realizados em laboratório. Os mapas de consumo do motor,

que estaremos simulando, são confidencias, e portanto neste trabalho vamos utilizar

os mesmos mapas apresentados no programa ADVISOR [71].

5.1.2. Forças de resistência

A energia requerida para o movimento de um veículo é função das suas

velocidades e acelerações, e das forças de resistência que devem ser vencidas,

podendo ser divididas em três subgrupos [79]:

� Resistência ao rolamento

� Resistência aerodinâmica

� Forças devido a inclinação da pista

� Resistência das forças de inércia

5.1.2.1. Resistência ao rolamento

Para cálculo das resistências ao rolamento, foram utilizadas as seguintes

Equações 5.1 e 5.2, apresentadas em [78]:

θcos.P.fRr = Equação 5.1

onde P cos(�) é força normal à superfície de rolamento, e f é o coeficiente


53

de resistência ao rolamento, que depende de uma série de fatores como o tipo de

solo, a pressão interna dos pneus, temperatura, carga radial dos pneus [80] e pode ser

calculado através da Equação 5.2 [80]:

5,2so )100/v.(f.24,3ff += Equação 5.2

onde v é a velocidade do veículo e os coeficientes fo e fs são determinados a

partir do Figura 5.1 [80]:

Figura 5.1 – Coeficientes fo e fs em função da pressão interna dos pneus.

5.1.2.2. Resistência aerodinâmica

Quando um corpo se move, uma força resistente causada pelo ar age no

sentido contrário. Esta força é função da velocidade relativa do veículo frente à

velocidade do ar [80], dada pela Equação 5.3:

2vaa )VV.(A.C..

21

R −= ρ Equação 5.3

onde � é a densidade do ar, Ca é o coeficiente admensional de resistência do

ar, A é a área, v é a velocidade do veículo e vv é a velocidade do vento. Segundo

Gillespie [80], o valor de Ca pode ser obtido experimentalmente (recomendado),

através de alguns valores pré-definidos de acordo com a geometria do veículo.


54

5.1.2.3. Resistência devido a inclinação da pista

É a força resultante no veículo devido à inclinação da pista, é modelada pela

Equação 5.4:

)(sen.g.mR θθ = Equação 5.4

5.1.2.4. Resistência das forças de inércia

Um movimento de translação do veículo implica num movimento da

rotação do sistema de transmissão de torque as rodas. Detalhes na obtenção desta

resistência são apresentados por Madureira e Gillespie [78] [80], neste trabalho

estaremos desconsiderando o efeito desta resistência.

Para efeito de simulação, estaremos considerando a eficiência do sistema de

transmissão mostrado na Tabela 5.2 [79] [61].

Marcha Relação Marcha Diferencial Pneus Raio Dinâmico [m] Rendimento da transmissão ¹

1 3.87 4.54 265/R13 0.262 0.7 2 2.04 0.88 3 1.41 0.97 4 1.11 0.96 5 0.88 0.97

Tabela 5.1 – Dados da transmissão e pneu usado no veículo.

¹ Uma vez que este dado é confidencial, estamos considerando valores estimados e usados

em transmissões similares do ADVISOR [56].

5.1.3. Força Trativa

Tanto para os veículos convencionais, como para os elétricos ou híbridos, as

equações básicas do movimento são estabelecidas de acordo com segunda lei de

Newton, assim baseado nas Equações 5.1 a 5.4, obtem-se uma relação da força

trativa e das forças de resistência pela aceleração do veículo, Equação 5.5 [58] [80]:


55

]RRRFt.[m1

vv.mRFt ar θ−−−=⇔=−••

� Equação 5.5

onde m é a massa, e Ft é a Força trativa, �R representa o somatória das

resistências discutidas no item 5.1.2.

É importante salientar novamente que na Equação 5.5 não estamos

considerando as forças de inércia. A Figura 5.2 mostra as forças de resistência que

precisam ser vencidas pelo sistema de propulsão:

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 20 40 60 80 100 120 140

Velocidades (m/s)

Forç

as d

e re

sist

ênci

a (N

)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

Aclives (%)

Figura 5.2 – Resistência ao movimento x Velocidade.

A velocidade final do veículo em cada marcha foi obtida através da Equação

5.6, desenvolvida a seguir:

rpmr..2i.v.60

n

r.n..602

vr.v

inni

m

rr

mr

mr

π

πω

ωω

=

=→=

=⇔=

Equação 5.6


56

onde nr é a rotação das rodas, nm é a rotação do motor, i é a relação de

transmissão e r é o raio dos pneus. A Figura 5.3 mostra a rotação do motor que é

requerida para obter as velocidades do veículo para cada marcha.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Rot

ação

do

Mot

or [r

pm]

Velocidade [m/s]

Marcha #1Marcha #2

Marcha #3

Marcha #4 Marcha #5

Figura 5.3 – Rotação do motor x Velocidade em cada marcha.

A força trativa é a soma de todas as forças de resistência [8]. Para manter a

velocidade constante, a força trativa deve ser igual às forças resistentes, que para o

MCI escolhido produz os resultados ilustrados na Figura 5.4:


57

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Velocidades [m/s]

Forç

a T

rativ

a [N

] Marcha 1

Marcha 2

Marcha 3

Marcha 4

Marcha 5

Figura 5.4 – Força trativa para velocidade constante.

A Figura 5.5 mostra as acelerações em cada marcha sobre pavimento plano

e horizontal:

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00

Velocidades (m/s)

Ace

lera

ções

(m/s

2)

1a. Marcha

2a. Marcha

3a. Marcha

4a. Marcha

5a. Marcha

Figura 5.5 – Acelerações para aclive da pista de 0%.

CAPÍTULO 6

PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO

6.1 Considerações

Quando falamos de novas tecnologias, é necessário ter em mente as

implicações de custo para os consumidores e as exigências de desempenho que eles

esperam. O consumidor em muitos casos só vai aceitar pagar mais por um produto

que possui uma nova tecnologia se existirem outras vantagens que compensem o

aumento do custo ou a perda de desempenho.

Nos paises em desenvolvimento, o mercado automobilístico é bastante

competitivo, com baixa lucratividade e altas taxas de impostos, e em geral o maior

volume é constituído pelos carros populares. Normalmente quando falamos dos

VEHs, automaticamente imaginamos veículos de grande valor agregado e com pouca

possibilidade de vendas nestes mercados devido aos custos e ao baixo volume.

Assim, quando falamos dos VEHs, é fundamental ter em mente os possíveis

ganhos que esta tecnologia pode trazer de vantagem para o consumidor, e a redução

do consumo de combustível está entre as principais características desejadas.

6.2 Clico de tráfego

Para avaliar a redução do consumo de combustível, é necessário definir um

ciclo de tráfego e sua influência no consumo e nas emissões.

O ciclo de tráfego possibilita avaliar e testar os diferentes modos de

operação veicular (velocidade x tempo) e quais os seus efeitos sobre a economia de

combustível e sobre os níveis de emissões. Entre os vários ciclos de testes, podemos

CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO

59

citar alguns importantes e mais comumente usados [8]:

� UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule): Ciclo urbano de

velocidade média de 31,5 km/h, de 1369 segundos, cobrindo uma

distância de 12 km, e velocidade máxima de 91,2 km/h, conforme

mostra a Figura 6.1.

� HWFET (Highway Fuel Economy Test): Ciclo de velocidade

média de 77,6 km/h, de 765 segundos, simulando uma distância de

16,5 km, e velocidade máxima de 96,4 km/h, conforme mostra a

Figura 6.2.

� NEDC (New European Driving Cycle): Novo ciclo Europeu de

velocidade média de 18,3 km/h, de 195 segundos simulando uma

distância de 1 km, e velocidade máxima de 50 km/h. Possui

maiores períodos de aceleração e velocidade constantes, conforme

mostra a Figura 6.3.

Figura.6.1 – Urban Dynamometer Driving Schedule.


60

Figura 6.2 – Highway Fuel Economy Test.

Figura 6.3 – New European Driving Cycle.

Para o Brasil, o procedimento adotado pelo PROCONVE [81] foi baseado

na norma americana FTP-75 (Federal Test Procedure), que vamos usar durante as

simulações. Detalhes deste ciclo são mostrados na Figura 6.4. Vale ressaltar que a

economia de combustível e os níveis de emissões são sensíveis aos diferentes tipos

de ciclos de tráfego [64].


61

Figura 6.4 – Federal Test Procedure.

6.3 Programa de simulação

Atualmente, o programa ADVISOR possibilita executar simulações em

veículos convencionais, elétricos e híbridos [62].

Basicamente, este programa funciona em três etapas: entrada de dados,

seleção do ciclo e testes desejados e finalmente os resultados.

6.3.1. Janela de entrada de dados

Na janela mostrada na Figura 6.5, selecionam-se as variáveis de controle e

as características do veículo a ser testado. Exemplo: veículo, motor, bateria e tipo de

configuração (convencional, paralela ou série).


62

Figura 6.5 – Janela de entrada de dados do ADVISOR.

A Figura 6.5 mostra como editar ou selecionar os dados de entrada:

Figura 6.6 – Janela de entrada de dados do ADVISOR.


63

6.3.2. Janela de seleção do ciclo e testes desejados

Na janela mostrada na Figura 6.7, seleciona-se o ciclo de tráfego e quais são

os tipos de testes desejados durante a simulação, incluindo parâmetros de pista

inclinada. Também nesta etapa é possível selecionar os tipos de resultados que são

desejados, conforme exemplo mostrado pela Figura 6.8.

Algo bastante importante é a possibilidade de selecionar uma seqüência

diferente de ciclos de testes, permitindo assim aproximar ao máximo da situação real.

Figura 6.7 – Janela intermediária do ADVISOR – Seleção da simulação.


64

Figura 6.8 – Janela de seleção dos testes e resultados desejados.

6.3.3. Janela com resultados da simulação

Na janela da Figura 6.9, são apresentados os resultados da simulação. É importante

ressaltar que vários parâmetros são simulados e que nesta tela é possível escolher

cada um destes parâmetros para saber qual foi o comportamento durante o teste. Por

exemplo, na Figura 6.9 os seguintes parâmetros foram selecionados:

� Km/h: Velocidade durante o teste.

� veh_force_a: Força alcançada pelo veículo.

� emissions: Emissões de HC, CO, NOx, PM.

� fc_ex_gas_flow: Fluxo de gás de escape.


65

Figura 6.9 – Janela de resultados.

6.4 Edição dos parâmetros de entrada

A entrada de dados pode ser feita através da seleção e edição das variáveis

e/ou da edição dos arquivos dos Matlab®. Neste trabalho, ambos os métodos foram

usados, partindo de alguns componentes já desenvolvidos dentro do pacote do

ADVISOR.

No Apêndice B estão os parâmetros do ADVISOR que foram editados e que

serão comuns nas simulações apresentadas nos itens 6.5, 6.6 e 6.7.


66

6.5 Simulação de um veículo convencional

A Figura 6.10 mostra os dados de entrada para simulação de um veículo

convencional. Este veículo possui um motor 1.0L, mostrado na Figura 6.10, que vem

sendo usado em algumas aplicações Ford.

Figura 6.10 – Motor Zetec Rocam 1.0L.

Os motores Zetec Rocam caracterizam-se por sua durabilidade e

performance. A grande vedete deste motor é o comando de válvulas, com

acionamento suportado por rolamentos, reduzindo profundamente o atrito no mesmo.

Algumas características específicas deste MCI são de propriedade da Ford, por

exemplo, o mapa de combustível. As informações necessárias para a simulação estão

disponíveis em [79] [61]. No capitulo 5 estas características foram usadas para

determinar da força trativa, velocidade e aceleração, e também serão usadas neste

capitulo para simular o veículo convencional, VEH série e VEH paralelo.

� Combustível: gasolina

� Potência líquida máxima: - 65 cv @ 5.750 rpm

� Torque líquido máximo – 85 N.m @ 2.750 rpm


67

Os itens marcados em vermelho são os arquivos Matlab® que foram

alterados conforme as características do motor 1.0L Zetec Rocam, detalhes sobre

alguns parâmetros que foram alterados são mostrados no Apêndice B.

Figura 6.11 – Dados de entrada veículo convencional com motor 1.0L.

Escolhe-se o procedimento de teste a ser usado, neste trabalho será usado o

FTP-75 (Federal Test Procedure). Os resultados mostrados na Figura 6.12, indicam

uma boa economia e um ótimo desempenho:

Alteração Características da

transmissão

Alteração das características do veículo (massa,

coeficiente aerodinâmico). Alteração das curvas de potência e torque (Zetec

Rocam)

Alteração características dos

pneus

Veículo convencional


68

Figura 6.12 – Resultados Veículo Convencional 46 KW.

O ADVISOR permite selecionar quais resultados deseja graficamente. Para

o MCI foram selecionados:


� fc_trq_out_a: Torque atingido pelo motor.


� fc_ex_gas_flow: Fluxo de gás de escape

Também é possível saber onde estão as maiores perdas de energia durante o

teste, conforme mostram as Figuras 6.13 e 6.14. Isto vai possibilitar aos projetistas

Resultados do consumo de combustível, emissões de HC, CO, NOx, PM, e

desempenho do veículo.


69

entender onde estão as maiores perdas de maneira que seja possível buscar

alternativas de otimização. Para este veículo convencional com MCI de 26 KW, a

eficiência do MCI foi de 22%, indicando que o MCI é o sistema que apresenta maior

perda conforme mostram as Figura 6.13 e 6.14.

Figura 6.13 – Fluxo de energia Veículo Convencional.

Figura 6.14 – Perda de energia durante os testes Veículo Convencional.

Também foi possível simular a eficiência durante todo o ciclo de teste para

cada componente. A Figura 6.15 mostra o resultado do sistema de conversão de

combustível do MCI. É possível observar que a dispersão no sistema de conversão de


70

combustível é bastante significativa, demonstrando justamente a baixa eficiência

energética destes tipos de sistema. É importante salientar que a dispersão também

pode estar ligada a não representatividade do mapa de combustível do MCI, que não

pôde ser usado devido os aspectos confidenciais.

Figura 6.15 – Eficiência do conversor de combustível Veículo Convencional.

6.6 Resultados obtidos para um VEH paralelo

Transformando o veículo convencional em um veículo híbrido paralelo,

mantendo as características do MCI usadas no teste anterior, e adicionando os demais

componentes do sistema híbrido, temos os dados de entrada da Figura 6.16.

Para esta simulação, o motor elétrico escolhido é o MIM de 73,5 KW que

foi estudado no capítulo 4. Também conforme mencionado no capítulo 3, entre todas

as baterias, a tecnologia NiMH tem grande destaque, assim estaremos usando uma

bateria deste tipo de 275 [V], controlando o SOC de maneira que permaneça entre

50% e 90%.


71

Figura 6.16 – Dados de entrada VEH Paralelo com motor 1.0L.

Houve um acréscimo no peso do veículo, principalmente devido aos novos

componentes que foram agregados (a bateria e o motor elétrico), no veículo

convencional o peso era 917 kg, no VEH paralelo passou para 1068 kg.

Para efeito de teste, foi assumido que no início o SOC da bateria fosse de

90%, conforme exemplo mostrado pela Figura 6.17.

VEH Paralelo


72

Figura 6.17 – Condições de testes e resultados desejados VEH Paralelo.

Os valores obtidos para o VEH paralelo são mostrados a seguir na Figura

6.18:

Figura 6.18 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW.

Controle de SOC, iniciando em 90%.


73


A Figura 6.19 mostra o comportamento dos seguintes parâmetros:


� Es_soc_hist: Histórico do estado de carga.


� fc_ex_rate: Indica o combustível usado em gramas/seg.


teste, conforme mostra a Figura 6.20. A eficiência do sistema de conversão de

combustível melhorou com relação ao veículo convencional, 30%.

O SOC permaneceu dentro dos limites especificados 50%<SOC<90%


74

Figura 6.20 – Fluxo de energia VEH Paralelo.

Da mesma forma, a Figura 6.21 mostra a eficiência do sistema de conversão

de combustível. Apesar de melhorar a eficiência ter sido melhor, é possível verificar

que o sistema continua disperso.

Figura 6.21 – Eficiência do conversor de combustível VEH Paralelo.


75

Da mesma forma, as Figuras 6.22 e 6.23 mostram respectivamente a

eficiência a eficiência da bateria durante a carga e a descarga, ou seja, o sistema foi

bem dimensionado e o SOC está se mantendo dentro dos limites, conforme

verificado na Figura 6.19.

Figura 6.22 – Eficiência da bateria durante carga VEH Paralelo.

Figura 6.23 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Paralelo.


76

É importante verificar que estamos usando o mesmo MCI de 46 KW do

veículo convencional, porém conforme mostrado na Figura 6.18, tanto a economia

do combustível, as emissões e o desempenho do VEH melhoraram quando

comparados com os resultados obtidos para o veículo convencional.

Algo que também precisa ser considerado é que para minimizar os custos

dos VEHs, a potência do motor a combustão poderia ser reduzida. A Figura 6.24

mostra os resultados obtidos a partir da redução do MCI de 46 KW para 30 KW.

Observamos na Figura 6.24, que a economia do combustível as emissões do

VEH melhoram ainda mais, ocorrendo apenas uma queda de desempenho, porém,

ainda melhor que o desempenho do veículo convencional.


6.7 Resultados obtidos para um VEH série

Neste trabalho, tanto o VEH paralelo quanto o série, o índice de

hibridização é de domínio do ME. Ou seja, em ambos os VEHs o DOH (Grau de

hibridização) = 0,62.


77

Lembrando que o sistema de transmissão não existe nas configurações série,

além do que é necessário ter um gerador para carregar a bateria [7] [8].

Figura 6.25 – Dados de entrada VEH Série com motor 1.0L de 46 KW.

Os resultados são mostrados a seguir na Figura 6.26:

Figura 6.26 – Resultados de teste VEH Série com MCI de 46 KW.

VEH Serie


78


A Figura 6.27 mostra o comportamento dos seguintes parâmetros:


� Es_soc_hist: Histórico do estado de carga.


� fc_ex_rate: Indica o combustível usado em gramas/seg.


teste, conforme mostra a Figura 6.28. A eficiência do sistema de conversão de

combustível melhorou com relação ao veículo convencional, 35%. Também pela

Figura 6.27 verifica-se que a taxa de combustível usada diminui na configuração

série.

A eficiência total do sistema de conversão de combustível foi de 35%,

conforme mostra a Figura 6.28.


79

Figura 6.28 – Fluxo de energia VEH Série..

As Figuras 6.29, 6.30 e 6.31 mostram respectivamente a eficiência do

sistema de conversão de combustível, a eficiência da bateria durante a carga e a

descarga para a configuração série.

É possível constatar que uma vez que a taxa de consumo de combustível é

menor na configuração série, a eficiência do conversor foi melhor que todas as

demais configurações.

Figura 6.29 – Eficiência do conversor de combustível VEH Série.


80

Figura 6.30 – Eficiência da bateria durante carga VEH Série.

Figura 6.31 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Série.

CAPÍTULO 7

CONCLUSÃO

7.1 Análise dos resultados

A tabela 7.1 mostra os resultados obtidos nas simulações:

Característica Convencional

VEH Paralelo

VEH Série

Motor de combustão 46 KW 46 KW 46 KW Motor elétrico (256 V) - 73,5 KW 85 KW Bateria - 275 V 308 V Peso 917 1068 1059 Eficiência conversor de combustível

22.2 % 30,0 % 35.0 %

Eficiência bateria - 94,0 % 72.0 % 0-100 km/h 11.5 seg 11.2 seg 18.7 seg Consumo (L/100 km) 4.5 3.9 5.7 Emissões - HC 0.737 g/km 0.690 g/km 0.376 g/km Emissões - CO 0.785 g/km 0.758 g/km 0.676 g/km Emissões - NOx 0.132 g/km 0.140 g/km 0.225 g/km Vel. Máxima (km/h) 142.4 191.8 140.7

Tabela 7.1 – Tabela com resultados comparativos MCI 46KW.

É possível verificar que o sistema de conversão de combustível dos motores

de combustão interna é pouco eficiente.

Na configuração série a eficiência do MCI foi maior, pois o mesmo trabalha

dentro do ponto "ótimo" de operação, onde é maior a eficiência e menor a emissão de

gases poluentes conforme mostra a Tabela 7.1. Outro ponto importante diz respeito a

eficiência da bateria, verificar que a mesma foi baixa na configuração série,

requerendo assim que a capacidade e potência sejam aumentadas, e conforme

discutido no capítulo 3 isto implica em aumentar o tamanho e peso da bateria, que é

um inconveniente devido as dificuldades de posicionamento e espaço no veículo.

CAPÍTULO 7 – ANÁLISE DOS RESULTADOS

82

A maior eficiência total do sistema foi obtida na configuração paralela, pois

tanto a bateria quanto o MCI foram bem dimensionados, e foi nesta configuração que

o veículo apresentou melhor desempenho. Em função disso, foi proposto diminuir a

potência do MCI, permitindo assim reduzir o peso e custo do MCI, a seguir a Tabela

7.2 mostra os resultados obtidos, que mostram que apesar da redução do

desempenho, houve uma melhora significativa com relação as emissões e consumo

de combustível que para o consumidor também é bastante importante.

Característica VEH Paralelo (MCI 30KW)

0-100 km/h 14 seg Consumo (L/100 km) 3.5 Emissões - HC 0.446 g/km Emissões - CO 0.554 g/km Emissões - NOx 0.126 g/km Vel. Máxima (km/h) 158.5

Tabela 7.2 – Tabela com resultados comparativos MCI 30KW.

7.2 Conclusão e recomendações

O uso contínuo dos combustíveis fósseis representa grave ameaça ao meio

ambiente, e mundo inteiro esta ciente da importância de buscar alternativas para as

grandes quantidades de gases poluentes emitidas pelos veículos.

No Brasil o uso de combustíveis renováveis vem crescendo rapidamente,

exemplo o álcool. É necessário no entanto, continuar estudando outras tecnologias de

menor impacto ao meior ambiente.

O presente trabalho destinou-se a esclarecer as possibilidades dos VEHs,

revelando-se de suma importância na compreensão do comportamento dos principais

componentes dos VEHs, as baterias e os motores elétricos, assim como as possíveis

arquiteturas que vêm sendo desenvolvidos mundialmente.

CAPÍTULO 7 – ANÁLISE DOS RESULTADOS

83

Em se tratando da obtenção de modelos matemáticos, comprovou-se a

dificuldade na aquisição de parâmetros que representassem o comportamento

dinâmico e em regime permanente das baterias, deixando claro que vários estudos

ainda vem sendo realizados nesta área e que as bibliografias pesquisadas apresentam

modelos bem próximos da realidade, inclusive adaptados as programa ADVISOR

versão 3.2.

Em suma, verificou-se que houve uma diminuição representativa das

emissões nos VEHs, e em especial no configuração paralela houve uma grande queda

no consumo de combustível.

Também foi possível conhecer a potêncialidade do programa ADVISOR na

simulação de diferentes configurações.

Como continuidade deste trabalho, sugere-se a inclusão dos veículos

elétricos híbridos com células à combustível, e uma discussão mais detalhada sobre

os sistemas conhecidos como ISG (Integrated Starter Generator), como uma solução

possível e mais próxima da realidade brasileira.

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APÊNDICES A – MOTOR DE INDUÇÃO MAGNÉTICA

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B – ALTERAÇÃO DOS PARÂMETROS DO ADVISOR

À minha amada esposa, graziella russo oliveira, por ter me … · 2.2 características dos motores...

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