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ESTUDO DE SISTEMAS DE PROPULSÃO VEICULARES ELÉTRICOS E

HÍBRIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS

João Paulo Gueiros Samú

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte

dos requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientador: Sílvio Carlos Aníbal de Almeida

Rio de Janeiro

Janeiro de 2018

iii

Samú, João Paulo Gueiros

Estudo de Sistemas de Propulsão Veiculares Elétricos

e Híbridos Através de Simulações Computacionais/ João

Paulo Gueiros Samú. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola

Politécnica, 2018.

XIV, 68 p.: il.; 29,7 cm.


Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Mecânica, 2018.

Referências Bibliográficas: p. 58-60.

1. Simulações Veiculares. 2. FASTSim. 3. Veículos

Elétricos. 4. Veículos Híbridos. I. Almeida, Sílvio Carlos

Aníbal de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro,

Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III.

Estudo de Sistemas de Propulsão Veiculares Elétricos e

Híbridos Através de Simulações Computacionais.

iv

Agradecimentos

Agradeço, acima de tudo, a minha família. Aos meus pais, Flávio e Elza, por todo

exemplo e incentivo. Sem dúvida, devo esta e todas as demais conquista em minha vida

a eles. Agradeço também ao meu irmão e grande amigo Pedro Henrique. Após todos esses

anos, acabamos sendo colegas de faculdade e agora formamos juntos.

Não poderia deixar de agradecer aos meus avós, Marlene e Jerônimo. Com

certeza, também devo tudo a eles. Agradeço a minha avó Dileta, que de algum lugar está

orgulhosa dos netos, o que me deixa muito feliz. Agradeço também a minha bisavó, Elza,

hoje com 95 anos de idade, pela qual tenho imensa admiração.

Em seguida, agradeço a meus grandes amigos, com os quais convivo desde a

escola: Gabriel, José Felipe, Maria Beatriz, Lucas, André, Augusto e muitos outros.

Agradeço em especial a Laís, por todo o carinho e apoio no final desta jornada. Na UFRJ

também pude fazer grandes amizades. Destaco meu grande amigo Lucas Aquino, com o

qual pude cursar praticamente todas as disciplinas do curso junto.

Agradeço aos muitos professores da UFRJ dos quais pude ser aluno, por todos os

conhecimentos e pela dedicação ao ensino. Em especial ao Prof. Sílvio Carlos, pelo

grande apoio e incentivo como orientador deste projeto.

Agradeço, por fim, ao meu tio Antônio Augusto. Mesmo tendo ido tão cedo, sei

que além da minha tocou a vida de muitos e sempre será um exemplo a ser seguido.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

ESTUDO DE SISTEMAS DE PROPULSÃO VEICULARES ELÉTRICOS E

HÍBRIDOS ATRAVÉS DE SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS


Janeiro/2018


Curso: Engenharia Mecânica

A indústria automobilística tem recebido cada vez mais influência de regulamentações

ambientais, tornando-se crescente o investimento no desenvolvimento de sistemas de

propulsão alternativos ao tradicional veículo à combustão interna. Neste contexto, este

trabalho objetivou estudar as principais diferenças tecnológicas e econômicas entre o

veículo convencional e três sistemas de propulsão alternativos: híbrido, híbrido plug-in e

elétrico à bateria. Para este propósito foi utilizada a ferramenta computacional FASTSim,

capaz de construir simulações de diferentes plataformas veiculares. Inicialmente foram

simulados dois dos veículos elétricos à bateria mais relevantes no mercado internacional,

Nissan Leaf e Tesla Model S, como forma de validação da ferramenta. Em continuidade,

o FASTSim foi utilizado para simular versões híbridas e elétricas à bateria do Chevrolet

Onix, veículo convencional mais vendido no Brasil nos últimos anos. A partir destas

simulações, tornou-se possível analisar comparativamente os veículos convencional,

híbrido, híbrido plug-in e elétrico a bateria quanto ao dimensionamento de componentes,

o consumo de combustível e a distribuição de custos na vida útil.

Palavras-chave: Simulações Veiculares, Sistemas de Propulsão, Veículos Elétricos,

Veículos Híbridos.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

STUDY OF ELECTRIC AND HYBRID POWERTRAIN SYSTEMS THROUGH

COMPUTATIONAL SIMULATIONS


January/2018

Advisor: Sílvio Carlos Aníbal de Almeida

Course: Mechanical Engineering

The automotive industry has been dealing with increasing influence from environmental

regulations over the past years. Consequently, a lot has been invested in the development

of alternative powertrains systems. Therefore, this work aimed to study the main

technological and economic differences between the conventional vehicle and three

alternative technologies: hybrid, plug-in hybrid and battery electric vehicles. To achieve

this goal the computer tool FASTSim was used, enabling the simulation of diverse types

of powertrain systems. Initially, Nissan Leaf and Tesla Model S, two of the most relevant

battery electric vehicles worldwide, were simulated as a form of validation of the tool. In

continuity, FASTSim was then used to simulate hybrid, plug-in hybrid and all-electric

versions of one of the best-selling conventional vehicles in Brazil, Chevrolet Onix. With

the results, it was possible to establish comparative analyzes between the traditional

internal combustion vehicle and these three alternative technologies in terms of

component sizing, fuel consumption and cost distribution.

Keywords: Vehicle Simulations, Powertrain Systems, Electric Vehicles, Hybrid Vehicles.

vii

Sumário

Capítulo 1 - Introdução............................................................................................................... 1

1.1. Metodologia ....................................................................................................................... 2

Capítulo 2 – Conceitos Fundamentais ....................................................................................... 3

2.1. Sistemas de Propulsão ........................................................................................................ 3

2.1.1. Veículo Convencional (ICV) ..................................................................................... 3

2.1.2. Veículos Elétrico Híbrido (HEV) ............................................................................... 4

2.1.2.1. Veículo Elétrico Híbrido em Série ...................................................................... 4

2.1.2.2. Veículo Elétrico Híbrido em Paralelo ................................................................. 5

2.1.3. Veículo Elétrico Híbrido Plug-in (PHEV) ................................................................. 7

2.1.4. Veículo Elétrico à Bateria (BEV) ............................................................................... 7

2.2. Baterias de Veículos Elétricos ........................................................................................... 8

2.3. Frenagem Regenerativa ................................................................................................... 10

2.4. Ciclos de Direção ............................................................................................................ 10

Capítulo 3 – A Ferramenta FASTSim ..................................................................................... 12

3.1. Objetivo e Proposta .......................................................................................................... 12

3.2. Interface ........................................................................................................................... 13

3.2.1. Entradas do Veículo ................................................................................................. 14

3.2.1.1. Veículo ............................................................................................................. 14

3.2.1.2. Tanque de Combustível .................................................................................... 15

3.2.1.3. Conversor de Combustível ............................................................................... 16

3.2.1.4. Motor Elétrico .................................................................................................. 16

3.2.1.5. Bateria de Tração .............................................................................................. 17

3.2.1.6. Roda .................................................................................................................. 18

3.2.1.7. Gerenciamento de Energia ............................................................................... 18

3.2.1.8. Diversos ............................................................................................................ 18

3.2.2. Entradas de Condições Atuais .................................................................................. 19

viii

3.2.3. Saídas Gerais ............................................................................................................ 21

3.2.4. Aplicações Auxiliares .............................................................................................. 22

3.2.4.1. Ferramenta Powertrain Comparison ................................................................. 22

3.2.4.2. Ferramenta Parametric Study ............................................................................ 23

3.3. Principais Modelos .......................................................................................................... 24

3.3.1. Vida da Bateria ......................................................................................................... 25

3.3.2. Gerenciamento de Energia ....................................................................................... 27

3.3.2.1. Estratégia da Energia Cinética .......................................................................... 27

3.3.2.2. Estratégia da Eficiência do Motor de Combustão Interna ................................ 28

3.3.3. Frenagem Regenerativa ............................................................................................ 29

Capítulo 4 – Validação de Dados ............................................................................................ 31

4.1. Introdução dos Veículos no Programa ............................................................................. 31

4.1.1. Nissan Leaf ............................................................................................................... 31

4.1.2. Tesla Model S .......................................................................................................... 32

4.2. Análise das Saídas ........................................................................................................... 33

4.3. Comparação Entre Leaf e Model S ................................................................................. 35

Capítulo 5 – Versões Elétricas e Híbridas de um Veículo Convencional ............................ 36

5.1. Chevrolet Onix ................................................................................................................. 36

5.2. Aplicação da Ferramenta Powertrain Comparison ......................................................... 37

5.3. Onix-BEV: Análise dos Componentes ............................................................................ 39

5.4. Onix-BEV: Análise de Custos ......................................................................................... 43

5.5. Análise Comparativa entre Onix Convencional e Versões Híbridas e Elétricas ............. 49

Capítulo 6 – Conclusões ........................................................................................................... 54

Referências Bibliográficas ....................................................................................................... 58

Apêndice A – Avaliação do Desgaste da Bateria ...................................................................... 61

Apêndice B – Cálculo da Potência de Frenagem Regenerativa.................................................. 66

Apêndice C – Compilação de Resultados de Versões Onix-BEV .............................................. 68

ix

Índice de Figuras

Figura 1 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Convencional ................................ 4

Figura 2 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Híbrido em Série ........................... 5

Figura 3 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Híbrido em Paralelo ...................... 6

Figura 4 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Elétrico a Bateria ........................... 7

Figura 5 - Representação Gráfica do Ciclo UDDS .................................................................... 11

Figura 6 - Representação Gráfica do Ciclo HWFET ................................................................. 11

Figura 7 - Curva de Vida da Bateria .......................................................................................... 26

Figura 8 - Estratégia da Energia Cinética .................................................................................. 28

Figura 9 - Modelo de Captura de Regeneração .......................................................................... 30

Figura 10 - Procedimento Utilizado na Simulação das Versões Onix-BEV .............................. 38

Figura 11 - Versões Onix-BEV: Energia Armazenável vs. Autonomia e Trocas de Bateria em

15 Anos de Vida Útil ................................................................................................................... 41

Figura 12 - Versões Onix-BEV: Potência do Motor Elétrico e da Bateria vs. Autonomia e

Trocas de Bateria em 15 Anos de Vida Útil ................................................................................ 42

Figura 13 - Ilustração dos Resultados de Custos da Ferramenta Powertrain Comparison ........ 45

Figura 14 - Composição do Preço de Fábrica dos Onix-BEV Simulados em Função da

Autonomia e das Trocas de Bateria ............................................................................................. 47

Figura 15 - Valor Presente dos Custos nos 15 Anos de Vida Útil dos Onix-BEV Simulados em

Função da Autonomia e das Trocas de Bateria ........................................................................... 48

Figura 16 - Resultados da Ferramenta Powertrain Comparison para as Versões Convencional,

HEV, PHEV e BEV do Chevrolet Onix ...................................................................................... 51

Figura 17 - Custos com Gasolina e Eletricidade para as Versões Convencional, HEV, PHEV e

BEV do Chevrolet Onix .............................................................................................................. 53

Figura 18 - Frequência de Distâncias Viajadas Diariamente ..................................................... 62

x

Índice de Tabelas

Tabela 1 - Principais Parâmetros de Baterias ............................................................................... 9

Tabela 2 - Entradas na Seção Veículo (Vehicle) ........................................................................ 14

Tabela 3 - Entradas na Seção Tanque de Combustível (Fuel Storage) ...................................... 15

Tabela 4 - Entradas na Seção Conversor de Combustível (Fuel Converter) .............................. 16

Tabela 5 - Entradas na Seção Motor Elétrico (Motor) ............................................................... 16

Tabela 6 - Entradas na Seção Bateria de Tração (Traction Battery) .......................................... 17

Tabela 7 - Entradas na Seção Roda (Wheel) .............................................................................. 18

Tabela 8 - Entradas na Seção Diversos (Misc.) .......................................................................... 19

Tabela 9 - Parâmetros de Condições Atuais ............................................................................... 19

Tabela 10 - Especificações na Ferramenta Powertrain Comparison ......................................... 22

Tabela 11 - Distribuição de Custos na Vida Útil ........................................................................ 23

Tabela 12 - Parâmetros Introduzidos para o Nissan Leaf ........................................................... 32

Tabela 13 - Parâmetros Introduzidos para o Tesla Model S 85 kWh ......................................... 33

Tabela 14 - Simulações e Referências para o Nissan Leaf ......................................................... 34

Tabela 15 - Simulações e Referências para o Tesla Model S 85 kWh ....................................... 34

Tabela 16 - Parâmetros Introduzidos para o Chevrolet Onix ..................................................... 37

Tabela 17 - Componentes Dimensionados para as Versões Onix-BEV ..................................... 40

Tabela 18 - Custos dos Componentes Veiculares para os Onix-BEV Simulados ...................... 44

Tabela 19 - Parâmetros de Mercado Utilizados nas Simulações dos Onix-BEV ....................... 44

Tabela 20 - Distribuição de Custos para as Versões Onix-BEV ................................................ 46

Tabela 21 - Especificações das Versões HEV, PHEV e BEV do Onix na Ferramenta

Powertrain Comparison .............................................................................................................. 50

Tabela 22 - Custos dos Componentes Veiculares Restantes ...................................................... 50

Tabela 23 - Versões do Chevrolet Onix: Convencional, HEV, PHEV e BEV ........................... 52

Tabela 24 - Avaliação do Desgaste em Ciclos de Descarga para o Nissan Leaf 2012............... 63

Tabela 25 - Ilustração do ciclo UDDS para o Nissan Leaf 2012 de 115s até 123s .................... 64

Tabela 26 - Desgaste no ciclo UDDS para o Nissan Leaf 2012 de 115s até 123s ..................... 64

Tabela 27 - Resultados de Versões Onix-BEV Simuladas ......................................................... 68

xi

Índice de Abreviaturas e Siglas

BEV - Battery Electric Vehicle

DOE - Department of Energy

EPA - Environmental Protection Agency

FASTSim - Future Automotive Systems Technology Simulator

Fenabrave - Federação Nacional da Distribuição de Veículos Automotores

HEV - Hybrid Electric Vehicle

HWFET - Highway Fuel Economy Driving Schedule

ICV - Internal Combustion Vehicle

MSRP - Manufacturer's Suggested Retail Price

NREL - National Renewable Energy Laboratory

PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle

UDDS - Urban Dynamometer Driving Schedule

ZEV - Zero Emission Vehicle

xii

Índice de Símbolos

𝑨𝒃𝒂𝒕 - Coeficiente A de vida da bateria

𝑨𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏 - Coeficiente A de frenagem regenerativa

𝐁𝒃𝒂𝒕 - Coeficiente B de vida da bateria

𝐁𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏 - Coeficiente B de frenagem regenerativa

𝑪𝒆𝒍 - Consumo elétrico do veículo

𝑫 - Distância percorrida

𝑫𝑶𝑫 - Profundidade de descarga (Depth of discharge)

𝑬𝒃𝒂𝒕 - Energia instantânea na bateria

𝑬𝒃𝒂𝒕,𝒎á𝒙 - Energia máxima armazenável na bateria

𝑬𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐 - Energia que realizou um ciclo

𝑬𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 - Energia admitida na recarga

𝑬𝒕𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆,𝒎á𝒙 - Energia máxima armazenável no tanque de combustível

𝑭𝑳 - Fator de lucro

𝒎𝒂𝒙𝑹𝒆𝒈𝒆𝒏 - Limite máximo para a porcentagem de potência recuperada

𝒎𝒃𝒂𝒕,𝒃𝒂𝒔𝒆 - Massa de base da bateria

𝒎𝒃𝒂𝒕,𝒌𝑾𝒉 - Massa da bateria por kWh de energia

𝒎𝒄𝒖𝒓𝒃 - Massa em ordem de marcha (Curb mass)

𝒎𝒈𝒍𝒊𝒅𝒆𝒓 - Massa da carroceria (Glider mass)

𝒎𝑴𝑬,𝒃𝒂𝒔𝒆 - Massa de base do motor elétrico

𝒎𝑴𝑬,𝒌𝑾 - Massa do motor elétrico por kW de potência

𝒎𝑺𝑷 - Massa do sistema de propulsão

𝑵𝒗𝒊𝒅𝒂 - Número total de ciclos que podem ser suportados pela bateria

𝑷𝒃𝒂𝒔𝒆 - Preço de base do veículo

xiii

𝑷𝒃𝒂𝒕 - Preço da bateria

𝑷𝒃𝒂𝒕,𝒃𝒂𝒔𝒆 - Preço de base da bateria

𝑷𝒃𝒂𝒕,𝒌𝑾 - Preço da bateria por kW de potência

𝑷𝒃𝒂𝒕,𝒌𝑾𝒉 - Preço da bateria por kWh de energia

𝑷𝒇á𝒃𝒓𝒊𝒄𝒂 - Preço de fábrica do veículo

𝑷𝑴𝑪𝑰 - Preço do motor de combustão interna

𝑷𝑴𝑪𝑰,𝒃𝒂𝒔𝒆 - Preço de base do motor de combustão interna

𝑷𝑴𝑪𝑰,𝒌𝑾 - Preço do motor de combustão interna por kW de potência

𝑷𝑴𝑬 - Preço do motor elétrico

𝑷𝑴𝑬,𝒃𝒂𝒔𝒆 - Preço de base do motor elétrico

𝑷𝑴𝑬,𝒌𝑾 - Preço do motor elétrico por kW de potência

𝑷𝒐𝒓𝒄𝑹𝒆𝒈𝒆𝒏 - Porcentagem máxima de potência recuperável

𝑷𝒐𝒕𝒃𝒂𝒕,𝒎á𝒙 - Potência máxima da bateria

𝑷𝒐𝒕𝒃𝒂𝒕𝑪𝒂𝒓𝒈𝒂,𝒎á𝒙 - Potência máxima de carga da bateria

𝑷𝒐𝒕𝑴𝑪𝑰,𝒎á𝒙 - Potência máxima do motor de combustão interna

𝑷𝒐𝒕𝑴𝑬,𝒎á𝒙 - Potência máxima do motor elétrico

𝑷𝒐𝒕𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏 - Potência de regeneração

𝑷𝒐𝒕𝒓𝒆𝒈𝒆𝒏,𝒎á𝒙 - Máxima potência de regeneração

𝑷𝒐𝒕𝒓𝒐𝒅𝒂𝒔 - Potência nas rodas

𝑷𝒑𝒍𝒖𝒈𝒖𝒆 - Preço do plugue

𝑷𝒕𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆 - Preço do tanque de combustível

𝑷𝒕𝒂𝒏𝒒𝒖𝒆,𝒌𝑾𝒉 - Preço do tanque de combustível por kWh de energia

𝑺𝑶𝑪 - Estado de carga (State of charge)

𝒕 - Passo de tempo na simulação

𝒗𝒎𝒑𝒉 - Velocidade do veículo em milhas por hora

xiv

𝝎 - Desgaste percentual da bateria

𝒙 - Variável auxiliar de regeneração

𝛈𝒄𝒂𝒓𝒓𝒆𝒈𝒂𝒅𝒐𝒓 - Eficiência do carregador

𝛈𝒓𝒐𝒖𝒏𝒅𝒕𝒓𝒊𝒑 - Eficiência round-trip da bateria

1

Capítulo 1

Introdução

O setor automotivo tem recebido crescente influência de regulamentações de

cunho ambiental ao redor do mundo. Atualmente, 10 governos – Brasil, Canadá, China,

União Europeia, Índia, Japão, México, Arábia Saudita, Coréia do Sul e Estados Unidos –

já estabelecem normas para o controle de emissões de gases estufa e economia de

combustível para veículos leves, enquanto outros grandes mercados, como Austrália,

Tailândia e Vietnã estão em processo de desenvolvimento destas normas [1].

Neste panorama, uma grande tendência do setor é a eletrificação da frota, isto é, a

crescente penetração no mercado de veículos que utilizam a eletricidade para a propulsão,

compondo desde veículos híbridos e híbridos plug-in (HEV e PHEV) a completamente

elétricos (BEV). De fato, o estoque global dos modelos elétricos carregáveis (BEV e

PHEV) superou 2 milhões de veículos em 2016, logo após cruzar a marca de 1 milhão

em 2015 [2].

Os veículos híbridos são capazes de promover uma redução apenas parcial do

consumo de combustíveis convencionais. Já os modelos totalmente elétricos (elétricos à

bateria) reduzem este consumo e as emissões no cano de escape (emissões locais) à zero,

sendo classificados como veículos zero emissões (Zero-Emission Vehicles – ZEV).

Diante deste cenário, o presente trabalho tem por objetivo construir um estudo

comparativo entre o veículo convencional, que ainda ocupa a maior parte da frota

automotiva global, e as tecnologias híbridas e elétricas. Para este fim, serão avaliados

fatores como dimensionamento de componentes, distribuição de custos na vida útil e

consumo de combustíveis. São objetivadas, portanto, conclusões com relação às

vantagens específicas de cada uma destas tecnologias e possíveis barreiras que possam

impedir sua maior disseminação no mercado.

2

1.1. Metodologia

Para a implementação desta proposta será utilizada da ferramenta computacional

FASTSim, capaz de construir simulações de diferentes tipos de sistemas de propulsão

veiculares. Desta maneira, a primeira parte deste texto será estruturada com base na

formulação de conceitos fundamentais à compreensão dos veículos a serem estudados e

ao funcionamento do FASTSim.

Em continuidade, será realizada em uma descrição detalhada da ferramenta. Para

isso, serão descritos sequencialmente a proposta dos criadores, a interface de utilização,

as aplicações de trabalho e, por fim, os principais modelos matemáticos implementados

nas simulações.

O primeiro estudo será então proposto, buscando a validação de dados simulados

no FASTSim. Serão avaliados, para tal, dois veículos elétricos de grande relevância no

mercado internacional – Nissan Leaf e Tesla Model S. Os resultados obtidos através de

simulações serão comparados a referências oficiais disponibilizadas pela Agência de

Proteção Ambiental dos Estados Unidos (Environmental Protection Agency – EPA).

Em seguida, o foco será em um veículo do mercado brasileiro, ainda com uma

predominância quase total de veículos convencionais. Através de uma das aplicações

auxiliares da ferramenta serão geradas versões alternativas (híbridos e elétricos) do

Chevrolet Onix, modelo mais vendido no Brasil nos últimos levantamentos. Com os

resultados deste estudo, espera-se avaliar os efeitos da eletrificação dos sistemas de

propulsão em nível tecnológico e econômico.

Por fim, serão formuladas as conclusões finais do presente trabalho, avaliando

desde o seu desenvolvimento aos resultados alcançados. Serão propostas, ainda,

possibilidades de análises futuras, com base nos conteúdos desenvolvidos e em demais

assuntos relacionados à temática.

3

Capítulo 2

Conceitos Fundamentais

O desenvolvimento deste trabalho se dará em torno de diferentes tipos sistemas

de propulsão veiculares. Por este motivo, a proposta deste capítulo é apresentar os

conceitos essenciais relacionados a este tema.

Inicialmente serão descritos os principais sistemas de propulsão disponíveis em

mercado, os quais serão simulados através da ferramenta computacional FASTSim. Em

primeiro lugar será apresentado o veículo convencional (ICV – Internal Combustion

Vehicle), seguido das versões híbrido (HEV – Hybrid Electric Vehicle), híbrido plug-in

(PHEV – Plug-in Hybrid Electric Vehicle) e, finalmente, do veículo elétrico à bateria

(BEV – Battery Electric Vehicle).

Em continuidade, serão descritos dois importantes componentes de tais sistemas

de propulsão alternativos. Em primeiro lugar serão detalhados conceitos fundamentais

das baterias e, em seguida, do sistema de frenagem regenerativa.

Por fim, será apresentado o conceito de ciclos de direção, fundamentais ao

funcionamento das simulações a serem realizadas.

2.1. Sistemas de Propulsão

O sistema de propulsão de um automóvel corresponde aos principais componentes

responsáveis pela geração e transmissão da potência. Cada um dos quatro tipos de veículo

que serão estudados neste trabalho (convencional, híbrido, híbrido plug-in e elétrico)

utiliza diferentes associações de diferentes componentes (motor de combustão, motor

elétrico, bateria, etc.) para este fim.

2.1.1. Veículo Convencional (ICV)

Os veículos convencionais – veículos à combustão interna (ICV – Internal

Combustion Vehicle) – funcionam por meio de um motor de combustão interna, que pode

operar com diferentes combustíveis (gasolina, diesel, gás natural, etc.), sob ciclos

termodinâmicos com características específicas (Otto, Diesel, Atkinson, etc.).

4

O combustível é armazenado em um tanque, fornecido ao motor através do

sistema de alimentação e a potência gerada por este é transmitida para as rodas através da

transmissão.

A figura 1, a seguir, ilustra simplificadamente esta configuração:

Figura 1 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Convencional

2.1.2. Veículo Elétrico Híbrido (HEV)

Os veículos elétricos híbridos surgem como alternativa aos convencionais por

associarem duas fontes de potência: a queima de combustível no motor de combustão

interna e a eletricidade no motor elétrico.

Existem dois tipos de configurações para veículos desta categoria – híbridos em

série e híbridos em paralelo – com características e vantagens específicas sobre os

veículos convencionais. Ambos serão descritos, portanto, individualmente.

2.1.2.1. Veículo Elétrico Híbrido em Série

É um veículo híbrido em que as rodas são acionadas diretamente apenas por

motores elétricos. Sua configuração está representada de forma simplificada na figura 2.

O motor de combustão interna é alimentado com combustível do tanque e fornece

potência ao gerador, que através do carregador alimenta a bateria. Os controladores

regulam a voltagem e transferem potência aos motores elétricos, através da energia

armazenada na bateria. Finalmente, os motores elétricos acionam as rodas do veículo.

Tanque de

Combustível

Motor de

Combustão

Interna

Transmissão

5

Figura 2 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Híbrido em Série

A grande vantagem desta configuração é que motor de combustão não está

diretamente conectado às rodas. Os motores de combustão interna possuem tipicamente

menores faixas de operação em melhor eficiência. Por não estarem acoplados às rodas,

não precisam operar por uma longa faixa de rotações, podendo sempre estar na região de

mais alta eficiência enquanto carregam a bateria.

Estes veículos possuem a vantagem, ainda, de utilizar apenas o motor elétrico

(mais eficiente) para acionar as rodas. Além disso, com a bateria já carregada, o veículo

pode funcionar completamente elétrico (desativando o motor de combustão). Quando a

carga da bateria for insuficiente, o motor de combustão é ativado novamente.

2.1.2.2. Veículo Elétrico Híbrido em Paralelo

Neste veículo, as duas fontes (motor elétrico e de combustão) podem acionar

diretamente as rodas, simultaneamente. Sua configuração está representada de forma

simplificada na figura 3.

Motor de

Combustão

Interna

Gerador

Bateria

Motor

Elétrico

Motor

Elétrico

Tanque de

Combustível

Carregador Controladores

6

Figura 3 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Híbrido em Paralelo

O motor de combustão é alimentado com o combustível armazenado no tanque, a

potência gerada no motor passa pela transmissão até uma redução de engrenagens

conectando ao eixo das rodas. A bateria fornece energia aos controladores (regulando a

voltagem) que transferem potência ao motor elétrico, também acoplado à redução.

Em relação ao híbrido em série, ocorrem menos transferências (conversões) de

energia entre componentes, gerando menores perdas. Outra vantagem é que o híbrido em

paralelo pode atender altas demandas de potência instantâneas, pois os dois motores

(elétrico e de combustão) podem operar acionando as rodas em simultâneo. Além disso,

por permitir que o motor de combustão acione diretamente as rodas, é possível a utilização

de um sistema elétrico menor (mais barato e mais leve).

A principal desvantagem em relação ao híbrido em série é que o motor de

combustão interna não opera sempre na faixa de maior eficiência. O sistema em paralelo

requer, ainda, a presença de um sistema de transmissão, enquanto na configuração em

série o motor de combustão é simplesmente conectado a um gerador. Outra desvantagem

Motor de

Combustão

Interna

Bateria

Tanque de

Combustível

Controladores

Transmissão Motor

Elétrico

7

está na complexidade do acoplamento mecânico entre os motores elétrico de combustão,

que se conectam simultaneamente à redução.

2.1.3. Veículo Elétrico Híbrido Plug-in (PHEV)

Os veículos desta categoria funcionam essencialmente da mesma maneira que os

veículos híbridos. A diferença está no fato de utilizarem uma bateria capaz de armazenar

mais energia, que pode ser carregada diretamente na rede elétrica.

Nos veículos híbridos comuns, a carga das baterias ocorre através do motor de

combustão interna e do sistema de frenagem regenerativa, a ser descrito em seguida. Nos

híbridos plug-in as baterias podem ser diretamente carregadas na tomada, através do

plugue (conector).

Com esta configuração, veículos PHEV podem alcançar grandes autonomias

consumindo apenas eletricidade. Esta característica, junto com o padrão de uso mais

eficiente dos híbridos, promove um ainda menor consumo de combustível.

2.1.4. Veículo Elétrico à Bateria (BEV)

Esta classe de veículos opera através apenas de energia elétrica. Um tipo de

configuração BEV está esquematizado na figura 4.

Figura 4 - Ilustração Esquemática do Sistema de Propulsão Elétrico a Bateria

Bateria

Motor

Elétrico

Carregador

Motor

Elétrico

Controladores

8

Por eliminar o uso de combustíveis convencionais, os BEV’s são caracterizados

como Veículos Zero Emissões (ZEV – Zero Emission Vehicles). Deve-se ressaltar,

entretanto, que por mais que esta perspectiva represente uma melhora considerável na

poluição em nível local, o panorama em maiores escalas dependerá da proveniência da

energia elétrica utilizada.

Outra grande vantagem deste veículo em relação ao convencional está na redução

de custos com combustível. A plataforma BEV opera apenas com motores elétricos, mais

eficientes que o sistema a combustão interna, e o preço da eletricidade é tipicamente mais

barato e mais estável em relação a outros tipos de combustível.

Uma das principais limitações da tecnologia BEV está na autonomia. Para que

seja possível alcançar longas distâncias (suficientemente atrativas aos consumidores) sem

recarga, a bateria deve ser capaz de armazenar uma alta quantidade de energia,

encarecendo este componente. Como consequência, o custo de veículos elétricos é

significantemente maior comparado aos convencionais, crescendo consideravelmente

com o superdimensionamento das baterias [3].

Em continuidade, seguido da limitação de autonomia e dos preços altos, dados

estatísticos [3] apontam a infraestrutura de recarga como uma das maiores preocupações

dos consumidores. Como a tecnologia ainda não é completamente disseminada em todas

as regiões, pode não ser trivial a obtenção de postos para a realização da recarga do

veículo. Além disso, a recarga é mais lenta comparada aos veículos convencionais,

levando muito mais tempo para o abastecimento completo.

Entretanto, muito tem sido investido nas limitações tecnológicas das baterias

destes veículos. Os preços, por kWh, estão caindo continuamente nos últimos anos e já

são bem menores entre os líderes no mercado [4], perspectiva positiva para a maior

participação destes modelos na frota automobilística global e, portanto, para a redução

das emissões locais de poluentes.

2.2. Baterias de Veículos Elétricos

Como destacado, a bateria é um dos principais componentes dos veículos elétricos

e tem grande influência na atratividade destes veículos. Esta seção objetiva, portanto,

descrever as principais características e perspectivas atuais destes componentes.

9

A tabela 1, a seguir, apresenta os principais parâmetros utilizados na

caracterização de baterias.

Tabela 1 - Principais Parâmetros de Baterias

Parâmetro Descrição Unidade

Usual Voltagem Voltagem nominal em que a bateria deve operar. V Corrente Corrente elétrica que atravessa o condutor. A Capacidade de Carga Quantidade de carga que a bateria pode entregar na

voltagem nominal. Ah

Capacidade Energética Energia total que pode ser armazenada na bateria. Wh Energia Específica Mássica Razão entre capacidade energética e massa da bateria. Wh/kg Energia Específica Volumétrica Razão entre capacidade energética e volume da

bateria. Wh/l

Potência Capacidade da bateria em fornecer/receber energia por

unidade de tempo. W

Potência Específica Mássica Razão entre potência e massa da bateria. W/kg Potência Específica Volumétrica Razão entre potência e volume da bateria. W/l Eficiência round-trip Razão entre a energia entre a energia total que pode ser

recuperada e a energia total inicialmente armazenada. (%)

Estado de Carga Razão entre a energia disponível e a capacidade

energética total. (%)

Profundidade de Descarga Razão entre a energia descarregada e a capacidade

energética total. (%)

Ciclos de Vida Número de ciclos que carga/descarga que a bateria

pode realizar. Sem

unidade

As baterias utilizadas são formadas pela associação de uma grande quantidade de

células. Cada célula é formada por um eletrodo positivo (cátodo) e um eletrodo negativo

(ânodo). Estes eletrodos são separados por um condutor iônico (separador) e envolvidos

por um eletrólito (meio condutor). Durante a descarga, a energia química associada aos

eletrodos se transforma em energia elétrica por meio de reações químicas. Já numa

situação de carga, a energia elétrica transforma os materiais gerados na descarga nos

produtos originais [5].

Existem diversos tipos de configurações e composições de materiais disponíveis

para baterias, com vantagens e desvantagens específicas. Em veículos elétricos, a energia

específica influencia diretamente na autonomia alcançável e a potência específica

representa a taxa de energia que pode ser entregue ou recebida pela bateria em eventos de

carga e descarga, influenciando diretamente na aceleração e na capacidade de recuperação

de energia por frenagem regenerativa.

10

As baterias de lítio-íon combinam altos níveis de potência e energia por unidade

de massa [6] e estão associadas a menor agressividade ao meio ambiente [5] e longas

vidas úteis [7]. Por esta série de características atrativas, a tecnologia li-íon é dominante

no mercado, sendo alvo de constantes investimentos [5].

Estudos apontam que os preços das baterias em veículos elétricos caíram de

aproximadamente US$ 1.000/kWh em 2010 para aproximadamente US$ 227/kWh em

2016, com projeções para valores abaixo de US$ 190/kWh até o final da década [4]. Esta

perspectiva impacta diretamente no preço dos veículos híbridos e elétricos à bateria, os

tornando cada vez mais competitivos em relação aos convencionais.

2.3. Frenagem Regenerativa

Tanto para os modelos híbridos quanto para os completamente elétricos, o motor

elétrico permite recuperação de parte da energia cinética em eventos de frenagem. Em

veículos convencionais, esta energia é essencialmente dissipada por atrito nos sistemas

de frenagem usuais.

Em um sistema de frenagem regenerativa o motor elétrico passa a funcionar como

um gerador, oferecendo torque de frenagem enquanto converte a energia cinética em

energia elétrica, alimentando a bateria à medida que o veículo é desacelerado.

O potencial de regeneração alcançável depende principalmente da maneira que o

veículo é operado e da capacidade dos componentes do sistema de propulsão [8]. Estudos

atribuem à regeneração a possibilidade de reciclar de 10 a 15% da energia gasta [9].

A principal vantagem dos veículos que utilizam este sistema está na redução do

consumo de eletricidade, promovendo maior economia de combustível (HEV, PHEV) e

prolongamento da autonomia elétrica (PHEV, BEV).

2.4. Ciclos de Direção

Os ciclos de direção (drive cycles) são ciclos velocidade vs. tempo sintetizados

para representar condições típicas de condução e tráfego em determinada região para

determinada classe de veículos. Cada ciclo é desenvolvido com características próprias,

podendo representar ambientes urbanos, estradas, situações de paradas constantes, etc.

11

A formulação destes ciclos objetiva normalizar um padrão de direção para que se

possam realizar testes, simulações e avaliações de consumo de combustível, emissões, e

demais análises. Atualmente já existem diversos ciclos, desenvolvidos por diferentes

países e agências reguladoras.

No software utilizado na construção deste trabalho, a ser descrito no capítulo 3,

são avaliados dois relevantes ciclos no cenário internacional: UDDS (Urban

Dynamometer Driving Schedule) e HWFET (Highway Fuel Economy Test). Ambos os

ciclos foram desenvolvidos pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos

(Environmental Protection Agency – EPA), e são utilizados para avaliar veículos leves.

As figuras 5 e 6 a seguir representam graficamente a disposição dos pontos de

velocidade e tempo para cada um destes ciclos.

Figura 5 - Representação Gráfica do Ciclo UDDS [10]

Figura 6 - Representação Gráfica do Ciclo HWFET [10]

12

Capítulo 3

A Ferramenta FASTSim

O FASTSim é uma ferramenta computacional suportada pelo Departamento de

Energia dos Estados Unidos (The United States Department of Energy - DOE),

desenvolvida pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (National Renewable

Energy Laboratory – NREL), capaz de construir diversas simulações veiculares. Sua

nomenclatura o designa como Simulador de Tecnologias de Sistemas Automotivos

Futuros (Future Automotive Systems Technology Simulator).

Toda sua programação foi desenvolvida em Microsoft Excel. É através desta

plataforma que todos os dados são introduzidos, simulados e compilados. A interface do

Excel possibilita facilidade na manipulação destes dados e na disposição numérica e

gráfica dos resultados.

O acesso ao FASTSim é gratuito, podendo ser obtido em download livremente na

página oficial da do Laboratório de Energia Renovável (NREL). Como o programa ainda

está em desenvolvimento, a versão utilizada neste trabalho corresponde à Beta 2, que

esteve disponível na referida página durante o período de desenvolvimento deste.

Neste capítulo será realizada uma introdução do programa, inicialmente

apresentando o objetivo e a proposta dos desenvolvedores. Em seguida, serão feitas

descrições de sua interface e funcionalidades, e, por fim, das principais modelagens

utilizadas.

3.1. Objetivo e Proposta

Num cenário global de grandes investimentos em tecnologias aplicadas a sistemas

de propulsão veiculares, o FASTSim se apresenta como uma eficaz ferramenta de análise,

capaz de gerar estudos que auxiliam no dimensionamento e na comparabilidade de

diversos tipos de veículos.

13

Desta forma, pode-se definir objetivo principal do programa como possibilitar

simulações para diferentes tipos de sistemas de propulsão, visando estimar o impacto de

diferentes tipos de tecnologias automotivas.

Para a versão utilizada no desenvolvimento deste trabalho, os tipos de sistemas de

propulsão presentes no programa incluíam:

▪ Veículos Convencionais (Motor de combustão interna)

▪ Veículos Elétricos Híbridos

▪ Veículos Elétricos Híbridos Plug-In

▪ Veículos Elétricos a Bateria

As simulações são desenvolvidas em ciclos de direção (ciclos velocidade vs.

tempo), descritos previamente. Por padrão, o ciclo urbano UDDS (Urban Dynamometer

Driving Schedule) e o ciclo de estrada HWFET (Highway Fuel Economy Test) são sempre

simulados. O programa inclui ainda outros ciclos de direção, que podem ser selecionados

e utilizados nas simulações, além de permitir ao usuário a introdução de novos ciclos.

Para cada passo de tempo são avaliados fatores como arrasto, aceleração,

inclinação da pista, resistência ao rolamento, eficiências, limites dos componentes e

frenagem regenerativa [11]. Os resultados permitem avaliar, para os diferentes tipos de

tecnologias a performance, a eficiência geral e os custos do veículo, além da vida útil da

bateria para os modelos elétricos.

A proposta dos desenvolvedores é, portanto, permitir uma análise acessível e

eficiente. Para permitir confiabilidade, a ferramenta foi aplicada para centenas de

diferentes modelos de veículos, e os resultados foram validados positivamente [11].

3.2. Interface

O programa é dividido em diversas abas que possibilitam diferentes tipos de

análises e modificações nos modelos utilizados. Entre estas abas, todo o processo de

seleção de um veículo e criação de uma simulação se concentra na aba VehicleIO, a

principal do programa.

Neste momento será realizada uma descrição geral da interface do FASTSim,

percorrendo os processos de seleção dos dados de entrada (inputs), a disposição dos dados

de saída (outputs) e as principais aplicações auxiliares do programa.

14

3.2.1. Entradas do Veículo

A primeira parte da aba VehicleIO contempla a entrada dos dados necessários à

introdução de um novo veículo na biblioteca do programa, ou mesmo a seleção de um

veículo já incluído para que se introduzam modificações.

Estas entradas dividem-se em oito seções, de acordo com:

1. Veículo

2. Tanque de Combustível

3. Conversor de Combustível

4. Motor Elétrico

5. Bateria de Tração

6. Roda

7. Gerenciamento de Energia

8. Diversos

Cada uma destas seções será descrita sequencialmente, a seguir.

3.2.1.1. Veículo

Nesta seção definem-se o tipo de veículo e demais características gerais, que se

aplicam a todos os tipos de sistema de propulsão.

Tabela 2 - Entradas na Seção Veículo (Vehicle)

Entrada no Programa Descrição

Fuel economy test procedure Define-se se o veículo será avaliado como convencional

(ICV), híbrido (HEV), híbrido plug-in (PHEV) ou

completamente elétrico (BEV).

Drag coefficient Coeficiente de arrasto aerodinâmico do veículo.

Frontal area Área frontal do veículo, em m².

Vehicle glider mass Massa da Carroceria, em kg. - *observação 1

Vehicle center of gravity height Altura do centro de gravidade do veículo, em m.

Drive axle weight fraction Fração do peso do veículo no eixo de tração, enquanto

parado.

Wheel base Distância entre eixos do veículo, em m.

Cargo mass Massa de carga a ser utilizada nas simulações, em kg.

*Observação 1:

A massa da carroceria (glider mass) é um parâmetro de obtenção não-trivial. A

informação geralmente fornecida por fabricantes corresponde ao curb mass, usualmente

denominado “peso” em ordem de marcha, no Brasil.

15

O curb mass corresponde a medida do peso do veículo com todos os equipamentos

regulares e demais conveniências, acrescido do peso de todos os consumíveis necessários

para operação (tanque cheio de combustível, óleo, refrigerante, etc.) porém sem

passageiro ou qualquer tipo de carga.

Junto a entrada do glider mass o programa oferece uma ferramenta para a

estimação deste parâmetro, utilizando como entrada o curb mass, de acordo com:

𝑚𝑔𝑙𝑖𝑑𝑒𝑟 = 𝑚𝑐𝑢𝑟𝑏 − 𝑚𝑆𝑃

Onde:

▪ 𝑚𝑔𝑙𝑖𝑑𝑒𝑟 − Massa da carroceria (Glider mass)

▪ 𝑚𝑐𝑢𝑟𝑏 − Massa em ordem de marcha (Curb mass)

▪ 𝑚𝑆𝑃 − Massa dos componentes do sistema de propulsão

Para que esta ferramenta funcione é necessário que já estejam preenchidas as

demais entradas dos componentes do veículo, a serem descritas em seguida, de modo que

o programa calcule a soma da massa do sistema de propulsão (𝑚𝑆𝑃).

3.2.1.2. Tanque de Combustível

Nesta seção o tanque de combustível é dimensionado. Não se aplica a veículos

completamente elétricos (BEV), de forma que esta seção deve zerada para estes.

Tabela 3 - Entradas na Seção Tanque de Combustível (Fuel Storage)


Fuel storage power Potência do tanque, em kW. Representa o tempo de

alimentação. Para veículos completamente elétricos

(BEV) deve ser atribuído zero, o que

automaticamente zera os demais itens desta seção.

Fuel storage time to full power Tempo necessário, em segundos, para que se alcance

a potência máxima referente ao item anterior.

Fuel storage energy Capacidade do tanque, em kWh. Geralmente esta

informação é fornecida em forma volumétrica, mas

pode ser convertida em energia através das

propriedades do combustível.

Fuel and fuel storage mass Energia específica do tanque de combustível, em

kWh/kg. Este parâmetro é utilizado para estimar a

massa do tanque cheio com base em sua capacidade

energética, definida no item anterior.

(1)

16

3.2.1.3. Conversor de Combustível

Nesta seção dimensiona-se o motor de combustão interna. Não se aplica a veículos

completamente elétricos (BEV), para os quais esta seção deve zerada.

Tabela 4 - Entradas na Seção Conversor de Combustível (Fuel Converter)


Fuel converter power Potência máxima do motor, em kW. Para veículos

completamente elétricos (BEV) deve ser atribuído zero,

o que automaticamente zera os demais itens desta seção.

Fuel converter efficiency type Designa o tipo motor utilizado, entre três opções

disponíveis na versão utilizada: Otto, Diesel e Atkinson.

Através desta seleção, o mapa de eficiência por potência

correspondente é atribuído.

Fuel converter time to full power Tempo necessário, em segundos, para o motor atingir

sua potência máxima.

Fuel converter specific power Entrada direta da potência específica do motor, em

kW/kg. É utilizada para estimar sua massa com base na

potência.

3.2.1.4. Motor Elétrico

Nesta seção dimensiona-se o motor elétrico. Não se aplica a veículos

convencionais (ICV), de forma que esta seção deve zerada para estes.

Tabela 5 - Entradas na Seção Motor Elétrico (Motor)

Entrada no Programa Descrição Motor power Potência máxima do motor elétrico, em kW. Para

veículos convencionais (ICV) deve ser atribuída zero, o

que automaticamente zera os demais itens desta seção.

Motor peak efficiency Corresponde à máxima eficiência do motor elétrico. Ao

defini-la, a curva de eficiência versus potência do motor

se ajusta automaticamente.

Motor time to full power Indica o tempo necessário, em segundos, para o motor

elétrico atingir sua potência máxima.

Motor controller mass

Motor controller base mass

Ambos os parâmetros são utilizados para estimar a massa

do motor elétrico em função de sua potência. O primeiro

corresponde a um coeficiente de variação (kg/kW) e o

segundo um valor de base (kg). *observação 2

*Observação 2:

A massa do motor elétrico é estimada de acordo com:

𝑚𝑀𝐸 = 𝑚𝑀𝐸,𝑏𝑎𝑠𝑒 + 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐸,𝑚á𝑥 ∙ 𝑚𝑀𝐸,𝑘𝑊

(2)

17

Onde:

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐸,𝑚á𝑥 − Potência máxima do motor elétrico

▪ 𝑚𝑀𝐸,𝑏𝑎𝑠𝑒 − Massa de base do motor elétrico (Motor controller base mass)

▪ 𝑚𝑀𝐸,𝑘𝑊 − Massa do motor elétrico por kW de potência (Motor controller mass)

3.2.1.5. Bateria de Tração

Nesta seção dimensiona-se a bateria dos veículos elétricos e híbridos. Não se

aplica a veículos convencionais (ICV), de forma que esta seção deve zerada para estes.

Tabela 6 - Entradas na Seção Bateria de Tração (Traction Battery)


Battery power Potência máxima da bateria, em kW. Para veículos

convencionais (ICV) deve ser atribuído zero, o que

automaticamente zera os demais itens desta seção.

Battery energy Energia máxima armazenável na bateria, em kWh.

Battery mass

Battery base mass

Analogamente ao motor elétrico, estes fatores são

utilizados para estimar a massa da bateria.

*Observação 3

Battery round-trip efficiency Eficiência que avalia a energia perdida no

armazenamento. Equivale a razão entre a energia

que é retirada da bateria e a energia que foi

introduzida inicialmente.

Battery life coefficient A (product)

Battery life coefficient B (power)

Fatores utilizados para avaliar o desgaste da bateria.

*Observação 4

*Observação 3:

A massa da bateria é estimada de acordo com:

𝑚𝑏𝑎𝑡 = 𝑚𝑏𝑎𝑡,𝑏𝑎𝑠𝑒 + 𝐸𝑏𝑎𝑡 ∙ 𝑚𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊ℎ

Onde:

▪ 𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 − Energia máxima armazenável na bateria

▪ 𝑚𝑏𝑎𝑡,𝑏𝑎𝑠𝑒 − Massa de base da bateria (Battery base mass)

▪ 𝑚𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊ℎ − Massa da bateria por kWh de energia (Battery mass)

*Observação 4:

Os coeficientes de desgaste da bateria se aplicam na equação de vida da bateria,

que será descrita em detalhes mais adiante neste capítulo, no item Principais Modelos.

(3)

18

3.2.1.6. Roda

Esta seção se aplica a todos os tipos de veículos, e através dela são introduzidos

dados para a especificação das rodas do veículo.

Tabela 7 - Entradas na Seção Roda (Wheel)


Wheel inertia (one wheel) Inércia da roda (uma única roda), em kg*m².

Number of wheels Número de Rodas.

Rolling resistance coefficient Coeficiente de resistência ao rolamento.

Tire radius Raio dos pneus.

Wheel coefficient of friction Coeficiente de atrito da roda.

3.2.1.7. Gerenciamento de Energia

As entradas nesta seção estão relacionadas aos modelos gerenciamento de energia.

Aplicam-se a todos os veículos, com exceção dos convencionais, para os quais esta seção

é zerada.

Para veículos elétricos, a entrada destes parâmetros se baseia apenas na seleção

dos níveis máximo e mínimo de utilização da capacidade da bateria.

Para os veículos híbridos existem duas estratégias a serem detalhadas na

continuidade deste capítulo, no item Principais Modelos. De acordo com a seleção da

estratégia, os parâmetros referentes são disponibilizados.

A introdução destes parâmetros será explicitada posteriormente, no referido item,

uma vez que suas descrições e aplicabilidades dependem intimamente do

desenvolvimento da modelagem.

3.2.1.8. Diversos

Para finalizar a introdução de um veículo são definidos fatores gerais diversos,

sendo parte destes aplicáveis somente a determinados tipos de veículos.

19

Tabela 8 - Entradas na Seção Diversos (Misc.)


Alternator efficiency Eficiência do alternador. Aplica-se somente a veículos

convencionais, que possuem este equipamento.

Charger efficiency Entrada direta da eficiência do carregador da bateria.

Aplica-se a BEV's e híbridos.

Auxiliary loads Potência, em kW, exigida por equipamentos auxiliares,

como ar-condicionado, sistema elétrico, etc.

Transmission mass Massa da transmissão, em kg.

Transmission efficiency Eficiência da transmissão.

Max regen Máximo percentual de captura de regeneração, utilizado

no modelo de frenagem regenerativa *Observação 5

*Observação 5:

O percentual máximo de captura de regeneração é utilizado para dimensionar a

curva de frenagem regenerativa. Esta modelagem será detalhada mais adiante neste

capítulo.

3.2.2. Entradas de Condições Atuais

Nesta parte, ainda na aba VehicleIO, novamente são estabelecidos campos para a

introdução de dados de entrada. Entretanto, estes dados não correspondem a um

determinado veículo, mas sim à parâmetros financeiros e características de utilização,

aplicados a todos os veículos, representados na tabela 9.

Tabela 9 - Parâmetros de Condições Atuais

Parâmetro no Programa Descrição

Average vehicle miles traveled per year Distância média viajada anualmente, em milhas.

Reduction in vehicle travel per year Redução anual da distância média viajada, em milhas.

Vehicle life (years) Vida útil do veículo, em anos.

Target number of battery replacements Número alvo de trocas de bateria ao longo da vida útil.

Gasoline price ($/gallon) Preço da gasolina, em dólar por galão.

Diesel price ($/gallon) Preço do diesel, em dólar por galão.

Electricity price ($/kWh) Preço da eletricidade, em dólar por kWh.

Sales tax Imposto sobre venda

Discount rate Taxa de desconto

Battery cost coefficient A ($/kW) Preço incremental da bateria, em dólares por kW de

potência máxima da bateria.

Battery cost coefficient B ($/kWh) Preço incremental da bateria, em dólares por kWh de

energia máxima armazenável na bateria.

Battery base packaging cost Preço base da bateria.

Battery cost reduction per year Redução anual do custo da bateria.

Power electronics and motor cost ($/kW) Preço incremental do motor elétrico e demais

eletrônicos de potência, em dólares por kW da potência

máxima do motor elétrico.

20

Power electronics and motor base cost Preço base do motor elétrico e demais eletrônicos de

potência, em dólares.

Engine cost ($/kW) Preço incremental do motor de combustão interna, em

dólares por kW da potência máxima do motor de

combustão interna.

Engine base cost Preço base do motor de combustão interna, em dólares.

Fuel tank cost ($/kWh) Preço incremental do tanque de combustível, em

dólares por kWh da energia máxima armazenável no

tanque.

Plug cost (PHEVs and EVs) Preço do plugue, usados em PHEV's e EV's.

Markup Fator de lucro.

Base vehicle price (without ICE, MC, PE) Preço de base do veículo, sem os componentes.

Como apresentado na tabela, definem-se fatores para a avaliação dos preços dos

componentes do sistema de propulsão do veículo. Tais fatores são obtidos através de

estudos estatísticos de dados de diversos fabricantes. Sua aplicação se dá de acordo com

as seguintes equações:

Para o motor de combustão interna:

𝑃𝑀𝐶𝐼 = [𝑃𝑀𝐶𝐼,𝑏𝑎𝑠𝑒 + (𝑃 𝑀𝐶𝐼,𝑘𝑊 ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐶𝐼,𝑚á𝑥 )] ∗ 𝐹𝐿

Onde:

▪ 𝑃𝑀𝐶𝐼 − Preço do MCI

▪ 𝑃𝑀𝐶𝐼,𝑏𝑎𝑠𝑒 − Preço de base do MCI (Engine base cost)

▪ 𝑃𝑀𝐶𝐼,𝑘𝑊 − Preço do MCI por kW de potência (Engine cost)

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐶𝐼,𝑚á𝑥 − Potência máxima do MCI

▪ 𝐹𝐿 − Fator de lucro (Markup)

Para o tanque de combustível:

𝑃𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = (𝑃 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒,𝑘𝑊ℎ ∗ 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒,𝑚á𝑥 ) ∗ 𝐹𝐿

Onde:

▪ 𝑃𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 − Preço do tanque de combustível

▪ 𝑃𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒,𝑘𝑊ℎ − Preço do tanque por kWh de energia (Fuel tank cost)

▪ 𝐸𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒,𝑚á𝑥 − Energia máxima armazenável no tanque de combustível

Para o motor elétrico:

𝑃𝑀𝐸 = [𝑃𝑀𝐸,𝑏𝑎𝑠𝑒 + (𝑃 𝑀𝐸,𝑘𝑊 ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐸,𝑚á𝑥 )] ∗ 𝐹𝐿

(4)

(5)

(6)

21

Onde:

▪ 𝑃𝑀𝐸 − Preço do motor elétrico (incluindo eletrônicos de potência)

▪ 𝑃𝑀𝐸,𝑏𝑎𝑠𝑒 − Preço de base do motor elétrico (Power electronics and motor

base cost)

▪ 𝑃𝑀𝐸,𝑘𝑊 − Preço do motor elétrico por kW de potência (Power electronics

and motor cost)

Para a bateria:

𝑃𝑏𝑎𝑡 = [𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑏𝑎𝑠𝑒 + (𝑃 𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊 ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 ) + (𝑃 𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊ℎ ∗ 𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 )] ∗ 𝐹𝐿

Onde:

▪ 𝑃𝑏𝑎𝑡 − Preço da bateria

▪ 𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑏𝑎𝑠𝑒 − Preço de base da bateria (Battery base packaging cost)

▪ 𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊 − Preço da bateria por kW de potência (Battery cost coefficient A)

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 − Potência máxima da bateria

▪ 𝑃𝑏𝑎𝑡,𝑘𝑊ℎ − Preço da bateria por kWh de energia (Battery cost coefficient

B)

O preço de fábrica do veículo é estimado, portanto, de acordo com:

𝑃𝑓á𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑃𝑏𝑎𝑠𝑒 + 𝑃𝑀𝐶𝐼 + 𝑃𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 + 𝑃𝑀𝐸 + 𝑃𝑏𝑎𝑡 + 𝑃𝑝𝑙𝑢𝑔𝑢𝑒

Onde:

▪ 𝑃𝑓á𝑏𝑟𝑖𝑐𝑎 − Preço de fábrica do veículo

▪ 𝑃𝑏𝑎𝑠𝑒 − Preço de base do veículo (Base vehicle price)

▪ 𝑃𝑝𝑙𝑢𝑔𝑢𝑒 − Preço do plugue (Plug cost)

Quando o veículo não possuir algum destes componentes em seu sistema de

propulsão, o termo correspondente é eliminado da equação 8.

3.2.3. Saídas Gerais

A construção de uma simulação se faz ao final da aba VehicleIO, onde

disponibilizam-se, ainda na aba, os diversos resultados. Entre estes, os principais são:

▪ Consumo de combustível: cidade, estrada e combinado

▪ Consumo elétrico: cidade, estrada e combinado

(7)

(8)

22

▪ Aceleração 0 - 60 mph (96,5 km/h)

▪ Autonomia

▪ Vida da bateria

▪ Custos dos componentes

▪ Custo com combustível e eletricidade ao longo da vida do veículo

▪ Custo de trocas da bateria ao longo da vida do veículo

▪ Preço de fábrica (MSRP)

▪ Resultados para ciclos adicionais

Além destes, também são gerados dados mais específicos, cabendo ao usuário

selecionar aqueles que são de seu interesse. Através destes resultados o programa introduz

aplicações auxiliares, elaboradas para possibilitar estudos específicos.

3.2.4. Aplicações Auxiliares

Todas as ações descritas até o presente momento são estabelecidas na aba

VehicleIO. As demais abas são utilizadas para a definição dos modelos matemáticos e

para a construção de aplicações auxiliares, sendo as principais as ferramentas Powertrain

Comparison e Parametric Study.

3.2.4.1. Ferramenta Powertrain Comparison

A aba Powertrain Comparison constitui uma ferramenta designada para estudar

os diferentes tipos de sistema de propulsão (ICV, HEV, PHEV e BEV) em um

determinado veículo de base.

O primeiro passo é a seleção deste veículo e a definição das características

desejadas nas versões alternativas, de acordo com a tabela 10, a seguir:

Tabela 10 - Especificações na Ferramenta Powertrain Comparison

Sistema de Propulsão Especificação

HEV Potência do motor elétrico

Energia máxima da bateria

Número alvo de trocas de bateria

PHEV Potência do motor elétrico

Autonomia em depleção de carga


BEV Autonomia


HEV, PHEV e BEV Coeficientes mássicos para a bateria

23

O estudo faz comparações ao longo da vida útil do veículo. Por este motivo

seleciona-se o número “alvo” de trocas de baterias, ou seja, quantas trocas são esperadas

neste período.

O algoritmo envolvido na ferramenta utiliza as características principais do

veículo de base: massa da carroceria, coeficiente de arrasto, dimensões, etc.

Partindo destas características, para cada versão a ser gerada abre-se uma janela

de otimização, em que combinações de componentes (motor elétrico, bateria, etc.) são

testadas visando conciliar as especificações estabelecidas na tabela 10 e a performance

do veículo base, avaliando-se os custos na vida útil de cada versão gerada.

Estes custos são distribuídos de acordo com a tabela 11, a seguir:

Tabela 11 - Distribuição de Custos na Vida Útil

Custo Veículos Aplicados Motor de Combustão Gasolina

Tanque de Combustível

ICV, HEV, PHEV

Bateria Troca de Bateria Motor Elétrico

HEV, PHEV, BEV

Plugue Eletricidade PHEV, BEV

Carroceria Todos

Os resultados da ferramenta são estabelecidos na forma de tabelas, especificando

componentes, consumo, custos e performance de cada veículo gerado.

O principal resultado, entretanto, se dá na forma de um gráfico de barras,

comparando as quatro versões do veículo base em custos e consumo de combustível.

3.2.4.2. Ferramenta Parametric Study

A aba Parametric Study constitui uma ferramenta designada para a analisar o

efeito de uma determinada variável de entrada (input) nos resultados (outputs) das

simulações de um determinado veículo de base. Além disso, a ferramenta também analisa

o efeito desta variável nos resultados de veículos alternativos, com os sistemas de

propulsão alternativos ao original.

24

Desta maneira, a ferramenta pode, por exemplo, estudar como o coeficiente de

arrasto de um determinado veículo influencia no consumo de combustível e eletricidade

em sua versão original e em suas versões alternativas.

A maneira que este estudo se constrói é através de uma extensão do algoritmo

Powertrain Comparison, descrito previamente. Desta forma, para inicializar a

ferramenta, seleciona-se um veículo base e as características desejadas para as versões

alternativas, como foi feito na ferramenta Powertrain Comparison.

Em adição, seleciona-se também uma variável de entrada a ser acompanhada, por

exemplo coeficiente de arrasto, massa da carroceria, etc. À esta variável, atribui-se

também um intervalo de análise, isto é, um valor máximo e mínimo.

Para um determinado número de pontos, a ferramenta Parametric Study constrói

diversos gráficos avaliando as alterações desta variável para as quatro versões do veículo

em diferentes variáveis de saída (consumo elétrico, consumo de combustível, custos

totais, etc.).

Desta maneira, torna-se possível estudar como um determinado parâmetro

específico modifica a performance e os custos para cada uma das diferentes versões (ICV,

HEV, PHEV e BEV) de determinado veículo.

3.3. Principais Modelos

Para que as simulações dos diferentes tipos de tecnologias veiculares possuam

representatividade de diversas condições reais, o FASTSim é estruturado também em

diversas modelagens que visam capturar tais condições.

Desta forma, o objetivo neste momento é descrever os principais modelos

matemáticos e computacionais utilizados pelo programa, desde as premissas utilizadas

até sua aplicação.

Foram selecionados três principais modelos, considerados essenciais na

construção das análises comparativas entre os veículos convencionais e seus alternativos

híbridos e elétricos, de acordo com:

1. Vida da Bateria

2. Gerenciamento de Energia

3. Frenagem Regenerativa

25

3.3.1. Vida da Bateria

Um dos principais componentes do sistema de propulsão de veículos elétricos é a

bateria. A autonomia de veículos completamente elétricos (BEV) está diretamente

relacionada a energia que pode ser armazenada em sua bateria.

Por outro lado, o preço de uma bateria cresce consideravelmente conforme

aumenta sua capacidade de armazenamento, de modo que a redução de seu preço, por

kWh, é um parâmetro chave para o crescimento da competitividade contra veículos

convencionais.

A vida útil deste componente é, portanto, um parâmetro de grande interesse de

estudo. É necessário que o desgaste da bateria seja adequadamente modelado nas

simulações desenvolvidas.

Inicialmente, é necessária a definição do parâmetro profundidade de descarga.

Este representa a magnitude da energia que realizou um ciclo de carga e descarga na

bateria. Sua avaliação é dada por:

𝐷𝑂𝐷 =𝐸𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥

Onde:

▪ 𝐷𝑂𝐷 − Profundidade de descarga (Depth of discharge)

▪ 𝐸𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 − Energia que realizou um ciclo

A intensidade em que bateria é consumida depende, dentre uma série de fatores,

da profundidade de descarga do ciclo. Quanto maior a profundidade de descarga, maior

o desgaste.

Para reproduzir este efeito, o FASTSim se baseia em um ajuste dos dados da

fabricante VARTA GmbH [12], representada na figura 7 a seguir.

(9)

26

Figura 7 - Curva de Vida da Bateria (Retirado e traduzido do FASTSim)

A curva é baseada em dois coeficientes, 𝐴𝑏𝑎𝑡 e 𝐵𝑏𝑎𝑡, especificados previamente

nas entradas de bateria na aba VehicleIO, de acordo com:

𝐷𝑂𝐷 = 𝐴𝑏𝑎𝑡 ∙ 𝑁𝑣𝑖𝑑𝑎𝐵𝑏𝑎𝑡

Onde:

▪ 𝑁𝑣𝑖𝑑𝑎 − Número total de ciclos que podem ser suportados pela bateria

▪ 𝐴𝑏𝑎𝑡 e 𝐵𝑏𝑎𝑡 − Coeficientes de vida da bateria

Nesse sentido, para cada profundidade de descarga há um número máximo de

ciclos que a bateria pode suportar. O desgaste percentual que a bateria sofre em um ciclo

de determinada profundidade de descarga pode, então, ser quantificado como o inverso

da vida máxima calculada pela equação anterior, de acordo com:

𝜔 =(1) 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

(𝑁𝑣𝑖𝑑𝑎) 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠= 𝑁𝑣𝑖𝑑𝑎

−1

Onde:

▪ 𝜔 − Desgaste percentual da bateria

Durante a simulação de um veículo, este modelo matemático é utilizado para

avaliar o desgaste em duas dimensões: ciclos de recarga e ciclos de aceleração e frenagem

regenerativa. O detalhamento dos cálculos da profundidade de descarga e consequente

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 10 100 1.000 10.000 100.000 1.000.000

Pro

fun

did

ade

de

De

scar

ga

Vida Máxima (Ciclos)

y=86x-0.68

(10)

(11)

27

aplicação da curva de vida da bateria para estes dois tipos de ciclos estão presentes no

apêndice A.

3.3.2. Gerenciamento de Energia

A maneira em que o veículo opera seus componentes de propulsão (motor elétrico

e motor de combustão) ao longo de um trajeto influi diretamente no consumo de

combustível, na performance e nas emissões.

O regime de utilização destes componentes constitui o que se chama de

gerenciamento de energia do veículo. Para desenvolver esta análise, deve-se inicialmente

definir o equacionamento do estado de carga da bateria, de acordo com:

𝑆𝑂𝐶 =𝐸𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎

𝐸𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎,𝑚á𝑥

Onde:

▪ 𝑆𝑂𝐶 − Estado de carga (State of charge)

▪ 𝐸𝑏𝑎𝑡 − Energia instantânea na bateria

Para veículos completamente elétricos (BEV), este controle se resume na

definição dos níveis (máximo e mínimo) limites para o estado de carga da bateria, visando

conciliar a máxima autonomia alcançável e o prolongamento de sua vida útil.

Para os híbridos o controle se torna mais complexo, dado que além do motor

elétrico há também o motor de combustão interna. Na simulação destes veículos o

software oferece duas estratégias de gerenciamento de energia:

1. Estratégia da Energia Cinética

2. Estratégia da Eficiência do Motor de Combustão Interna

3.3.2.1. Estratégia da Energia Cinética

A Figura 8 representa graficamente o funcionamento desta estratégia. Conforme

ilustrado, para uma determina velocidade há um estado de carga de referência em que a

bateria deve seguir. O objetivo dessa estratégia é aproveitar totalmente a energia da

frenagem regenerativa e garantir um nível de energia suficiente para permitir

acelerações em baixas velocidades.

(12)

28

Quando o veículo está em maiores velocidades há um potencial de maior captura

de energia via frenagem regenerativa, então a bateria deve estar suficientemente

descarregada, possuindo disponibilidade para receber energia regenerada. Por outro lado,

em baixas velocidades a bateria deve possuir energia o suficiente para se capaz de auxiliar

nas próximas acelerações.

Figura 8 - Estratégia da Energia Cinética (Retirado e traduzido do FASTSim)

Deste modo, o foco da estratégia está em equilibrar o estado de carga da bateria

entre estes dois limites. Como o nome define, a estratégia baseia-se na velocidade do

veículo. Assim, através das entradas da simulação são designados dois valores limite de

velocidade nos quais o estado de carga da bateria deve estar em seu máximo e mínimo.

Com estes, gera-se o modelo gráfico linear situando o estado de carga adequado

para cada velocidade do veículo, representado na figura anterior. Para cada nível de

afastamento (gap) da região de interesse, obtém-se a potência alvo da bateria para

alcançar os requisitos do modelo.

3.3.2.2. Estratégia da Eficiência do Motor de Combustão Interna

Para essa estratégia o cenário se torna mais simples. O objetivo agora é manter o

motor de combustão interna operando sempre com uma rotação em sua região de mais

alta eficiência, reduzindo-se o consumo e as emissões.

Para possibilitar que esta rotação seja mantida ao mesmo tempo em que se

respeitam as exigências do ciclo, realiza-se um equilíbrio entre a parcela da energia que

29

está sendo enviada para as rodas e a parcela que está sendo gerada e armazenada nas

baterias.

Por fim, ao introduzir o modelo de um veículo híbrido, deve-se definir qual dessas

estratégias de gerenciamento de energia será utilizada. De acordo com a escolha do

usuário, são dispostos os campos de entradas (inputs) requeridos para a construção do

modelo referente a respectiva estratégia, definindo os limites de uso da bateria e as

relações entre a potência gerada pelo motor de combustão interna e pelo motor elétrico.

3.3.3. Frenagem Regenerativa

A parcela de energia que um veículo pode recuperar através de frenagem

regenerativa é limitada por seus componentes e por sua velocidade em cada instante.

As restrições dos componentes envolvem os limites da bateria e do motor elétrico,

além da amplitude de estado de carga utilizável (máximo e mínimo SOC).

Com estes limites estabelecidos, a regeneração que pode ser capturada se torna

função da velocidade desenvolvida no percurso. O FASTSim utiliza o seguinte modelo

matemático:

𝑃𝑜𝑟𝑐𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛 =𝑚𝑎𝑥𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛

1 + 𝐴𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 ∙ 𝑒−𝐵𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛(𝑣𝑚𝑝ℎ+1)

Onde:

▪ 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛 − Porcentagem máxima de potência recuperável

▪ 𝐴𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 e 𝐵𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 − Coeficientes ajustados para modificar a curva

▪ 𝑚𝑎𝑥𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛 − Limite máximo para a porcentagem de potência recuperada,

definido nas entradas da simulação

▪ 𝑣𝑚𝑝ℎ − Velocidade do veículo em milhas por hora.

Aos coeficientes 𝐴𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 e 𝐵𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 são atribuídos, como padrão, os valores 1000 e

0,9 respectivamente. O programa permite que estes coeficientes sejam ajustados, na aba

Regen, dando ao usuário a possibilidade de modificar a equação de acordo com seu

interesse.

A figura 9, a seguir, representa a curva da equação padrão, com os coeficientes

originais.

(13)

30

Figura 9 - Modelo de Captura de Regeneração (Retirado e traduzido do FASTSim)

Esta formulação prioriza a frenagem regenerativa para maiores velocidades,

utilizando em baixas velocidades majoritariamente a frenagem por fricção. Geralmente

para frenagens emergenciais, em alta velocidade, são utilizados os freios de fricção,

entretanto este modelo considera que tais eventos possuem uma frequência baixa o

suficiente para serem negligenciados [11].

É importante ressaltar que a porcentagem de recuperação calculada se refere à

potência desenvolvida instantaneamente nas rodas, variando conforme o veículo perde

velocidade, e não à energia total recuperada.

O procedimento detalhado de cálculo da potência de frenagem regenerativa nos

ciclos de direção através deste modelo está representado em forma de diagrama no

Apêndice B.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

0 10 20 30 40 50

Pe

rce

ntu

al d

e P

otê

nci

a R

ecu

pe

rad

a*

Velocidade (mph)

Potência Máxima Recuperada

* Contanto que o motor e a bateria sejam capazes de suportar

31

Capítulo 4

Validação de Dados

Com a conclusão do capítulo prévio, o FASTSim e suas principais aplicações

foram apresentados. Como continuação, o presente capítulo tem por objetivo realizar uma

aplicação inicial da ferramenta, propondo o primeiro estudo de caso deste trabalho. O

objetivo é introduzir os dados de veículos elétricos à bateria no programa e avaliar suas

simulações de performance e consumo.

Os dados de saída, resultado das simulações, serão então comparados com os

dados disponíveis para os veículos reais. Para o consumo elétrico e a autonomia serão

utilizados os dados da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos

(Environmental Protection Agency - EPA).

Foram selecionados para esta análise dois veículos de grande relevância no

mercado global, Nissan Leaf e Tesla Model S, os mais vendidos no ano de 2016 [13]. Por

este motivo este estudo objetivará, ainda, em gerar uma comparação entre as principais

características e propostas destes modelos.

4.1. Introdução dos Veículos no Programa

4.1.1. Nissan Leaf

Primeiramente serão selecionadas as entradas para a introdução do veículo elétrico

da Nissan. Este veículo já faz parte da biblioteca do programa em trabalho, porém em

uma versão antiga, corresponde ao ano de 2012, com uma bateria capaz de armazenar de

24 kWh de energia.

O Leaf já é comercializado atualmente com uma bateria de 30 kWh, o que

influencia diretamente em sua performance, principalmente na máxima autonomia

alcançável. Por este motivo os parâmetros chave do veículo serão atualizados, buscando

a representatividade de sua versão mais recente.

A tabela 12, a seguir, representa as principais seções de entrada (inputs) e os

valores utilizados, assim como sua referência.

32

Tabela 12 - Parâmetros Introduzidos para o Nissan Leaf

Seção Parâmetro Seleção Referência

Vehicle

Drag coefficient 0,28 [14]

Frontal area 2,19 m² Estimado pelo programa com as

dimensões obtidas de [14]

Vehicle glider mass 983 kg

Calculado pelo programa com base

em um curb mass de 1500 kg (3307

lb) [14]

Vehicle center of gravity

height 0,53 m

Mantido o valor já incluído no

programa para a versão antiga

Drive axle weight fraction 0,59 m Mantido o valor já incluído no


Wheel base 2,69 m [14]

Cargo mass 136 kg Valor padrão no programa

Motor

Motor Power 80 kW Igual a versão antiga

Motor Peak Efficiency 89% Mantidos os valores já incluídos no

programa para a versão antiga Motor time to full power 5

Motor controller mass 0,833 kg/kW Mantido o ajuste realizado pelo

programa Motor controller base mass 21,6 kg

Traction Battery

Battery Power 90 kW Mantido o valor já incluído no


Battery Energy 30 kWh [14]

Battery mass 8 kg/kWh Mantido o ajuste utilizado no

programa Battery base mass 75 kg

Battery roundtrip efficiency 95,10% Mantido o valor já incluído no


Battery life coefficient A 86 Mantido o ajuste utilizado no

programa Battery life coefficient B -0,6844

4.1.2. Tesla Model S

O referido modelo da Tesla Motors é comercializado em diferentes versões, com

sistemas de baterias de diferentes dimensões, dentre as quais já estiveram disponíveis

modelos com a capacidade energética variando desde 40 até 100 kWh.

Para a atual análise foi selecionada a versão de 85 kWh por representar o alto nível

de dimensionamento da bateria característico da marca, e pela disponibilidade de dados

de teste, que auxiliarão na introdução das entradas no programa.

A tabela 13, a seguir, representa as seções de entrada e os respectivos valores

utilizados, assim como sua referência.

33

Tabela 13 - Parâmetros Introduzidos para o Tesla Model S 85 kWh


Vehicle

Drag coefficient 0,24 [15]

Frontal area 2,34 [15]

Vehicle glider mass 1250 kg Estimado com base em [16]

Vehicle center of gravity height 0,46 m [17]

Drive axle weight fraction 0,59 m

Mantido o valor padrão usado

nos veículos já incluídos na

biblioteca

Wheel base 2,96 m [18]

Cargo mass 136 kg Valor padrão no programa

Motor

Motor Power 270 kW [18]

Motor Peak Efficiency 98%

Ajustado a partir da potência

máxima atingida em teste [18] e

a potência máxima da bateria

Motor time to full power 5 Ajustado para com base na

aceleração de teste [18]

Motor controller mass 0 kg/kWh Ajustado para o peso exato do

motor do Model S [16] Motor controller base mass 32 kg

Traction

Battery

Battery Power 278 kW [19]

Battery Energy 85 kWh [18]

Battery mass 0 kg/kWh Ajustado para o peso exato [18]

da bateria do Model S 85 kWh Battery base mass 545 kg

Battery roundtrip efficiency 98,00% [18]

Battery life coefficient A 86 Mantido o ajuste utilizado no

programa Battery life coefficient B -0,6844

4.2. Análise das Saídas

Com os veículos introduzidos na biblioteca do programa, suas simulações podem

ser inicializadas. Agora, portanto, serão selecionadas saídas de interesse para realizar a

comparação com os dados disponíveis. Serão analisados:

▪ Consumo de eletricidade urbano

▪ Consumo de eletricidade em estrada

▪ Consumo de eletricidade combinado

▪ Autonomia

▪ Aceleração 0 – 96,6 km/h (60 mph)

As tabelas 14 e 15, a seguir, representam os dados de referência e os resultados da

simulação para ambos os veículos.

34

Tabela 14 - Simulações e Referências para o Nissan Leaf

Parâmetro Valor

Simulado Valor de

Referência Referência

Consumo de eletricidade urbano 0,193 kWh/km 0,169 kWh/km

EPA [20] Consumo de eletricidade em estrada 0,198 kWh/km 0,207 kWh/km Consumo de eletricidade combinado 0,196 kWh/km 0,187 kWh/km Autonomia 178,6 km 172,2 km Aceleração 0 – 96,6 km/h (60 mph) 10,8 s 10,4 s [21]

Tabela 15 - Simulações e Referências para o Tesla Model S 85 kWh

Parâmetro Valor

Simulado Valor de

Referência Referência

Consumo de eletricidade urbano 0,262 kWh/km 0,238 kWh/km

EPA [22] Consumo de eletricidade em estrada 0,227 kWh/km 0,232 kWh/km Consumo de eletricidade combinado 0,246 kWh/km 0,235 kWh/km Autonomia 375 km 426 km Aceleração 0 – 96,6 km/h (60 mph) 5,4 s 5,5 s [18]

Através dos valores representados nas tabelas 14 e 15, observa-se que a

modelagem utilizada obteve eficácia especialmente no tempo de aceleração e no consumo

elétrico combinado, onde os dados simulados alcançaram valores próximos aos dados de

referência.

Para a autonomia, entretanto, o modelo da Tesla obteve um maior distanciamento,

com uma um valor simulado de 375 km contra um valor esperado de 426 km (discrepância

relativa de -12%). À esta disparidade justifica-se a menor disponibilidade de dados de

input para o modelo da Tesla Motors.

Por outro lado, os resultados do Nissan Leaf mantiveram-se próximos aos valores

esperados, simulando uma autonomia de 178,6 km para uma referência de 172,2 km

(discrepância relativa de 3,7%).

Em conclusão, dada a baixa discrepância entre os dados simulados e os valores

utilizados como referência para a maior parte dos os parâmetros avaliados, torna-se

possível validar positivamente a ferramenta, realçando, entretanto, a importância dos

dados de entrada (inputs) para que os resultados representem com mais precisão as

condições reais esperadas.

35

4.3. Comparação Entre Leaf e Model S

Evidenciou-se que os dois modelos elétricos apresentam abordagens construtivas

e propostas diferentes. Por um lado, o Leaf utiliza uma bateria de capacidade energética

comparativamente baixa (30 kWh), mais semelhante aos demais veículos desta categoria

em mercado. Já o Model S oferece diferentes versões, todas com maior dimensionamento

deste componente (alcançando até 100 kWh).

O principal efeito desta diferença de proposta se dá na autonomia do veículo,

sendo o Model S capaz de alcançar distâncias consideravelmente maiores sem recarga

(426 km da versão de 85 kWh do Model S contra 172,2 km do Leaf).

Como consequência, este componente implica diretamente no peso no veículo e

em seu consumo elétrico, sendo o Leaf capaz de consumir menos eletricidade por

distância percorrida (0,187 kWh/km do Leaf contra 0,235 kWh/km da versão de 85 kWh

do Model S).

Por fim, o impacto destas tecnologias também se reflete no preço do veículo,

sendo o modelo da Tesla consideravelmente mais caro que o Leaf, que, por sua vez, se

mantém na faixa de preço dos demais BEV em mercado.

Conclui-se, então, que a Tesla Motors investe em um veículo de alta tecnologia e

de maior dimensionamento e de seus componentes, possibilitando o alcance da alta

performance característica da marca. O Leaf, por outro lado, apresenta menor

performance, porém a um preço mais baixo e com menores custos, garantindo assim sua

forte competitividade.

36

Capítulo 5

Versões Elétricas e Híbridas de um Veículo

Convencional

Conforme introduzido no capítulo 1, a participação de veículos elétricos no

mercado internacional tem apresentado crescimento contínuo. Por outro lado, estes

modelos ainda são raros no Brasil, contando com poucos incentivos [23].

Como forma de avaliar as vantagens e desvantagens dos veículos elétricos,

pretende-se utilizar o FASTSim para simular versões elétricas e hibridas de um veículo

convencional comercializado atualmente no mercado brasileiro, compondo assim o

segundo estudo de caso deste trabalho.

A partir dos dados do Chevrolet Onix, disponíveis pela montadora, utilizando a

ferramenta Powertrain Comparison, descrita no capítulo 3, foi possível construir versões

HEV, PHEV e BEV deste veículo. Os resultados obtidos permitem analisar o desempenho

e os custos associados às diferentes plataformas veiculares propostas.

5.1. Chevrolet Onix

De acordo com os dados da Fenabrave (Federação Nacional da Distribuição de

Veículos Automotores) [24], o modelo com o maior número de emplacamentos em 2016

foi o Chevrolet Onix, líder também nos levantamentos realizados até o momento, em

junho de 2017.

Por este motivo, será este o modelo a ser inserido no FASTSim para a formulação

do presente estudo. A tabela 16, a seguir, representa os principais inputs selecionados

para a introdução deste veículo, da mesma maneira como foi realizado previamente para

o Nissan Leaf e o Tesla Model S.

37

Tabela 16 - Parâmetros Introduzidos para o Chevrolet Onix


Vehicle

Drag coefficient 0,34 [25] Frontal area 2,01 m² [26]

Vehicle glider mass 674 kg Calculado pelo programa com base

em um curb mass de 1021 kg [25]

Vehicle center of gravity height 0,53 m Mantido o valor incluído no programa

para veículos semelhantes

Drive axle weight fraction 0,59 m Mantido o valor incluído no programa

para veículos semelhantes Wheel base 2,53 m [25] Cargo mass 136 kg Valor padrão no programa

Fuel Storage

Fuel storage power 1000 kW Mantido o valor incluído no programa


Fuel storage time to full power 1 s Mantido o valor incluído no programa


Fuel storage energy 504 kWh Tanque de 54 L [25] e densidade

energética da gasolina de 9,33 kWh/L

[27]

Fuel and fuel storage mass 9,89

kWh/kg Mantido o ajuste utilizado no

programa para veículos convencionais

Fuel Converter

Fuel converter power 57,4 kW [25]

Fuel converter efficiency type Otto Veículo analisado à gasolina (ciclo

Otto) Fuel converter time to full

power 6 s Mantido o valor incluído no programa


Fuel converter specific power 0,32 kW/kg Mantido o ajuste utilizado no

programa para veículos convencionais

5.2. Aplicação da Ferramenta Powertrain Comparison

Como descrito no capítulo 3, a ferramenta Powertrain Comparison parte de um

veículo base e gera versões alternativas deste, testando diferentes sistemas de propulsão.

Desta forma, a ferramenta será implementada para analisar o Onix, avaliando versões

elétricas híbridas (HEV e PHEV) e elétricas à bateria (BEV) deste.

Inicialmente o foco será nas versões BEV. Como introduzido previamente, devem

ser especificados a autonomia desejada, a tecnologia da bateria e seu número alvo de

trocas ao longo da vida útil do veículo.

O procedimento utilizado será aplicações consecutivas da ferramenta testando

diferentes dimensionamentos da bateria e observando sua influência nos custos e na

38

performance do Onix-BEV. Dada a sua maior relevância no mercado, destacada

previamente, as baterias testadas serão todas de tecnologia Li-ion. Desta maneira, as

variáveis a serem modificadas em cada versão BEV serão o número alvo de trocas de

bateria e a autonomia desejada.

Para a quantificação da vida útil do veículo será mantido o valor padrão do

programa, de 15 anos. Considerando o desgaste da bateria, é possível que este

componente precise passar por uma ou mais trocas ao longo destes 15 anos. Serão

propostos três diferentes cenários com 0, 1 e 2 trocas de baterias na vida útil. Em cada um

destes cenários serão analisadas autonomias de 50 km (valor muito baixo) a 140 km

(autonomia próxima de BEV’s competitivos), em incrementos de 10 km.

A figura 10 resume esquematicamente o padrão utilizado na proposição das

versões BEV do Onix a serem analisadas.

Trocas de Bateria: 0 1 2

Autonomia (km): 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

Total de Configurações: 30 versões

Figura 10 - Procedimento Utilizado na Simulação das Versões Onix-BEV

Com os resultados obtidos pela ferramenta, a análise proposta será dividida em

duas partes: análise de componentes e análise de custos.

Dentre os componentes, serão estudados a bateria e o motor elétrico. O principal

parâmetro de análise será a energia da bateria. Como avaliado previamente, o

dimensionamento da capacidade energética da bateria afeta consideravelmente o preço e

o peso do veículo. Em segunda ordem, será analisada a entrega de potência, avaliando-se

além da bateria, o motor elétrico.

Na análise de custos, serão analisados dois parâmetros principais. Inicialmente

será avaliado o preço de fábrica, composto pela soma dos preços dos componentes

dimensionados. Em seguida, o foco será nos custos totais ao longo dos 15 anos de vida

39

útil propostos. Neste caso, espera-se identificar uma grande influência da troca de bateria

entre os três cenários propostos.

5.3. Onix-BEV: Análise dos Componentes

Como já destacado, a bateria tem papel crucial na competitividade de veículos

elétricos. Para que sejam alcançadas maiores autonomias, mais atrativas aos

consumidores, mais energia deve ser armazenada. O superdimensionamento deste

componente, entretanto, é restringido pelo crescente preço por kWh armazenável.

Em adição, as baterias estão sujeitas a alto desgaste, possuindo uma vida útil

limitada. Tratando-se de um equipamento de alto custo, uma possível troca pode trazer

grande prejuízo ao proprietário do veículo.

Existem diversas variáveis que influenciam no quanto a bateria é desgastada em

seus ciclos de utilização. Ressaltou-se previamente a grande influência do parâmetro

profundidade de descarga (DOD), razão entre a energia utilizada e a energia total

armazenável. Quanto maior a profundidade de descarga em um ciclo, mais intenso será o

desgaste (figura 7, capítulo 3).

Nesse sentido, a capacidade energética da bateria influencia não apenas na

autonomia alcançável do veículo, mas também na profundidade de descarga de suas

ciclagens e, portanto, em sua vida útil. Através da proposição das diferentes versões do

Onix-BEV espera-se quantificar a influência de ambas a durabilidade proposta e a

autonomia alcançável no dimensionamento da bateria e do motor elétrico.

Após a aplicação do procedimento proposto, as especificações dos componentes

dos 30 Onix-BEV gerados através do algoritmo Powertrain Comparison foram

armazenadas e dispostas na tabela 17, a seguir. Para a bateria são dispostos a capacidade

energética, a potência máxima e a vida útil, em quilômetros percorridos. Para o motor

elétrico representa-se apenas sua potência máxima como parâmetro de interesse.

40

Tabela 17 - Componentes Dimensionados para as Versões Onix-BEV

Autonomia Trocas de

Bateria em

15 Anos

Bateria Motor Elétrico Energia

(kWh) Potência

(kW) Vida

(km) Potência

(kW)

50 km 0 Troca 44 66 313.561 61 1 Troca 26 60 155.201 55 2 Trocas 19 58 103.444 54










A análise dos dados da tabela 17 será dividida em duas partes, tendo como foco

inicial apenas a capacidade energética da bateria e posteriormente nas potências de ambos

motor elétrico e bateria.

Inicialmente, a figura 11 foi construída para auxiliar a análise gráfica da

capacidade energética da bateria a partir dos dados da tabela 17.

41

Figura 11 - Versões Onix-BEV: Energia Armazenável vs. Autonomia e Trocas de Bateria

em 15 Anos de Vida Útil

Para os veículos simulados dentro de um mesmo cenário de troca de baterias na

vida útil (0, 1 ou 2), a primeira e mais trivial premissa é confirmada. Ocorre, de fato, o

aumento capacidade energética à medida que o veículo alcança maiores autonomias.

Alterando o foco para as diferenças entre os três cenários, os dados apontam para

a influência do dimensionamento energético na longevidade da bateria. Observa-se que

objetivando uma maior durabilidade (menor número de trocas), maior teve de ser a

energia total armazenável.

Da equação 9, para a profundidade de descarga de um ciclo:

𝐷𝑂𝐷 =𝐸𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜

𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥

Todos os Onix-BEV são analisados com os mesmos padrões de utilização, isto é,

com as mesmas distâncias viajadas ao longo dos 15 anos de análise. Desta forma, sendo

os veículos semelhantes, os ciclos possuem exigências energéticas (𝐸𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜) próximas.

Por outro lado, a medida que a capacidade energética aumenta (𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥), menor

torna-se a profundidade de descarga (𝐷𝑂𝐷) destes ciclos. Da curva de vida da bateria

(figura 7), quanto menor a profundidade de descarga, menor também será o desgaste

acumulado em cada ciclo.

0

10

20

30

40

50

60

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

0 1 2

Ener

gia

(kW

h)

Autonomia (km) / Trocas de Bateria

(9)

42

Por este motivo, os Onix-BEV com baterias mais duradouras (menor número de

trocas) exigiram maiores capacidades energéticas, conforme indicado pelos dados

simulados representados na tabela 17 e ilustrados na figura 11.

No desenvolvimento de veículos elétricos este efeito indica que a busca por

maiores autonomias e capacidades energéticas também pode resultar em menores

profundidades de descarga e, portanto, em maiores vidas úteis para as baterias [28].

Adicionalmente, é possível observar que a maior parte dos BEV’s em mercado

possuem dimensionamento energético de baterias na faixa do Onix-BEV nos cenários de

1 e 2 trocas, compatível com o fato de a maioria destes fabricantes oferecerem em torno

de 8 anos de garantia para este componente.

Em continuidade, a segunda parte da análise dos resultados será baseada nas

potências do motor elétrico e da bateria. A figura 12, a seguir, representa estes dados para

cada Onix-BEV simulado.

Figura 12 - Versões Onix-BEV: Potência do Motor Elétrico e da Bateria vs. Autonomia e

Trocas de Bateria em 15 Anos de Vida Útil

Observa-se que os requisitos de potência correspondem equivalentemente ao

dimensionamento energético das baterias. Quanto menor o número de trocas, maior a

capacidade de armazenamento, tornando as baterias e os veículos mais pesados. Por

consequência, exigem-se maiores potências para que a performance do Onix original seja

mantida.

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

74

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

0 1 2

Autonomia (km) / Trocas de Bateria

Potência - Motor Elétrico (kW) Potência - Bateria (kW)

43

O comportamento das curvas dentro de cada cenário de troca é resultado da rotina

de cálculo do algoritmo. Enquanto é possível garantir a aceleração do Onix original,

mantêm-se a potência máxima de ambos o motor elétrico e a bateria constantes.

Entretanto, a partir de determinada autonomia, o nível de armazenamento torna o peso da

bateria limitante, de modo que para que a performance original seja mantida necessita-se

que o veículo seja capaz de entregar maior potência.

Através da análise de componentes foi possível quantificar o papel do

dimensionamento das baterias em veículos elétricos. Com o procedimento e as restrições

impostas, obtiveram-se resultados condizentes com conceitos previamente introduzidos.

Finalmente, por mais que a ausência de custos com uma possível troca de bateria

possa representar vantagem, a exigência de maiores da capacidade de armazenamento

observada pode tornar o preço inicial do veículo pouco atrativo aos consumidores. Em

seguida, através da análise de custos, será possível quantificar e avaliar esta proposição.

5.4. Onix-BEV: Análise dos Custos

Para realizar esta análise, serão novamente estudados os resultados fornecidos

pela ferramenta Powertrain Comparison. Inicialmente, devem ser descritos os parâmetros

econômicos e mercadológicos utilizados.

Os preços dos componentes do BEV são formulados de acordo com os

coeficientes de preço definidos no capítulo 3 (equações 4-8). No programa, já existem

valores para tais coeficientes, referenciados à levantamentos estatísticos de fabricantes

destes veículos no mercado americano.

Pelo fato de não existir uma amostra de dados suficiente para realizar este ajuste

no mercado brasileiro e pelo foco da análise ser especificamente na variação dos custos,

serão mantidos os valores já presentes no programa referentes ao mercado americano, de

acordo com a tabela 18, não representando o valor de venda esperado no Brasil.

O preço específico da bateria por capacidade energética (US$/kWh), por sua vez,

será reduzido de US$ 500/kWh (valor original) para US$ 200/kWh. Como já ressaltado,

o preço das baterias tem caído significativamente nos últimos anos. O valor antigo possuía

representatividade para o momento em que o programa foi desenvolvido, porém estudos

já atribuem um valor de US$ 227/kWh referente ao ano de 2016 [4], existindo fabricantes

44

que já afirmam trabalhar abaixo de US$ 190/kWh [29]. Desta forma, US$ 200/kWh será

o valor selecionado para análise, dada sua maior representatividade do cenário atual.

Tabela 18 - Custos dos Componentes Veiculares para os Onix-BEV Simulados

Componente Parâmetro Valor Carroceria Preço base US$ 17.014,00

Motor Elétrico Preço base US$ 425,00 Preço kW US$ 21,70

Plugue Preço US$ 500,00

Bateria Preço base US$ 680,00 Preço kWh US$ 200,00 Preço kW US$ 22,20

Da tabela 18, como destacado previamente, os parâmetros referentes ao motor

elétrico levam em consideração, ainda, o preço dos eletrônicos de potência, incluindo o

inversor de frequência.

De maneira análoga aos componentes veiculares, serão mantidos também os

parâmetros mercadológicos americanos, igualmente já definidos no programa, de acordo

com a tabela 19.

Tabela 19 - Parâmetros de Mercado Utilizados nas Simulações dos Onix-BEV

Parâmetro Valor

Eletricidade (por kWh) US$ 0,10

Imposto de Compra 7,80%

Taxa de desconto 4,10%

Os principais indicadores a serem estudados são o preço de fábrica e os custos

totais ao longo dos 15 anos de vida útil. O preço de fábrica é composto pela soma do

preço dos componentes dimensionados. Já os custos totais são analisados de acordo com

o valor presente líquido (VPL), parâmetro utilizado para avaliar o valor presente de

pagamentos futuros através de uma taxa de desconto.

Este cálculo é dado por:

𝑉𝑃𝐿 = ∑𝐹𝐶𝑡

(1 + 𝑖)𝑡

𝑛

𝑡=1

(14)

45

Onde:

▪ 𝑉𝑃𝐿 − Valor presente líquido

▪ 𝐹𝐶 − Fluxo de caixa

▪ 𝑡 − Período de tempo

▪ 𝑛 − Total de períodos de tempo

▪ 𝑖 − Taxa de desconto

Para cada veículo simulado desenvolve-se o levantamento de seu custo inicial,

composto do preço de fábrica acrescido do imposto de compra, e avaliam-se os custos

com combustível, eletricidade e trocas de bateria ao longo de toda a vida útil definida.

A figura 13 ilustra estes resultados para uma das versões Onix-BEV simuladas,

com 100 km de autonomia e 1 troca de bateria em 15 anos de vida útil. Como ilustração,

representa-se também os resultados com um valor de 48,2% para o imposto de compra,

correspondente ao Onix original no mercado brasileiro [30], destacando a diferença em

relação ao valor default do programa, de 7,8%.

Figura 13 - Ilustração dos Resultados de Custos da Ferramenta Powertrain Comparison

Com a modificação proposta, o valor do imposto sob a compra do veículo, que

teve um preço de fábrica simulado de US$32.698, passou de US$2.550 a US$15.760,

tornando-se o maior custo ao longo de toda vida útil.

Através da figura 13 identificaram-se os diferentes custos a serem analisados. O

preço de fábrica se dá pela composição: carroceria, motor elétrico, plugue e bateria. Os

custos totais levarão em consideração, ainda, o imposto de compra, a troca de bateria e a

eletricidade consumida.

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

$60.000

$70.000

Imposto 7,8% Imposto 48,2%

Cu

sto

s (V

alo

r P

rese

nte

)

Eletricidade

Troca de Bateria

Imposto de Compra

Bateria

Plugue

Motor Elétrico

Carroceria

46

Da mesma maneira como foi feita a análise dos componentes, os custos foram

avaliados nas 30 diferentes combinações de autonomia e trocas de baterias na vida útil do

Onix-BEV. A tabela 20, a seguir, representa estes resultados.

Tabela 20 - Distribuição de Custos Para as Versões Onix-BEV

Autonomia Trocas de

Bateria

em 15

Anos

Custos (US$)

Bateria Motor

Elétrico Plugue Carroceria Preço de

Fábrica Imposto

de

Compra Eletricidade

Troca

de

Bateria

Custos

Totais

(VPL)

50 km 0 Troca $16.542 $2.631 $750 $17.014 $36.937 $2.881 $5.431 $0 $45.249 1 Troca $10.725 $2.443 $750 $17.014 $30.932 $2.413 $5.126 $8.830 $47.301 2 Trocas $8.694 $2.396 $750 $17.014 $28.855 $2.251 $5.028 $14.273 $50.406










Por se tratar de uma grande quantidade de dados, as figuras 14 e 15 foram

construídas para auxiliar a presente análise, representando as composições do preço de

fábrica e dos custos totais para cada Onix-BEV simulado.

Inicialmente, a figura 14 representa a composição o preço de fábrica:

47

Figura 14 - Composição do Preço de Fábrica dos Onix-BEV Simulados em Função da

Autonomia e das Trocas de Bateria

Observa-se na figura 14 um comportamento semelhante entre o preço de fábrica

e o gráfico de capacidade energética das baterias (figura 11), levantada na análise dos

componentes. Tal comportamento se justifica pelo alto preço pelo kWh armazenável. A

maior energia exigida pelas baterias de maior longevidade se reflete no crescimento da

faixa verde na figura 14, representante do preço destes componentes.

Esta ilustração salienta, ainda, a grande relevância da bateria na composição final

do preço de fábrica. No cenário mais extremo, sem trocas na vida útil e com 140 km de

autonomia, a bateria alcançou 50% do preço de fábrica. Por outro lado, mesmo no cenário

mais conservador, com duas trocas de bateria e 50 km de autonomia a bateria já é

responsável por 30% deste preço.

Comparando-se os três cenários, evidencia-se que para promover uma maior vida

útil da bateria, o preço de fábrica do veículo cresce consideravelmente para os mesmos

valores de autonomia. Esta perspectiva tem o potencial de descartar a atratividade do

cenário sem trocas, ao qual foram atribuídos preços mais altos para a mesma performance

dos demais.

Por outro lado, a ausência de trocas nos 15 anos analisados poderá reduzir os

custos totais ao longo da vida útil, tornando-se necessário a extensão da análise a este

parâmetro.

$0

$5.000

$10.000

$15.000

$20.000

$25.000

$30.000

$35.000

$40.000

$45.000

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

Autonomia (km)

Carroceria Motor Elétrico Plugue Bateria

Sem trocas 1 Troca 2 Trocas

48

Figura 15 - Valor Presente dos Custos nos 15 Anos de Vida Útil dos Onix-BEV Simulados

em Função da Autonomia e das Trocas de Bateria

Como esperado, os custos totais reduzem com a maior vida da bateria. Mesmo

com o maior preço de fábrica, a ausência de trocas possibilitou um menor valor presente

líquido (VPL) dos custos finais, comparando-se os mesmos valores de autonomia.

Em adição à expressiva parcela da bateria na composição do preço de fábrica,

observa-se na figura 15 que o valor presente dos custos totais também pode ter grande

impacto da troca deste componente, alcançando até 31% para o Onix-BEV com duas

trocas de bateria e 140 km de autonomia.

Finalmente, da presente análise evidencia-se um comportamento inverso entre o

preço de fábrica e os custos totais ao final da vida útil. Dos três cenários analisados,

observou-se que a maior longevidade das baterias provocou um aumento no preço de

fábrica, mas foi capaz de compensar com uma redução nos custos finais.

Essa perspectiva, entretanto, não é capaz de atenuar a mais baixa atratividade do

cenário sem trocas de bateria. Os custos com a troca não necessariamente são absorvidos

por um único consumidor, uma vez que foi estabelecido um longo período de análise (15

anos) e por existirem garantias para este componente, baseadas no tempo de utilização e

na quilometragem do veículo.

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

$60.000

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

50

60

70

80

90

10

0

11

0

12

0

13

0

14

0

Autonomia (km)

Preço de Fábrica Imposto de Compra Eletricidade Trocas de Bateria

Sem trocas 1 Troca 2 Trocas

49

Nesse sentido, no cenário sem trocas foram simulados BEV’s com alto preço de

fábrica para baixa performance. Já nos cenários com uma e duas trocas de bateria foram

simuladas versões do Onix-BEV com capacidade energética e preços semelhantes a

BEV’s em mercado de performances próximas.

Em conclusão, foi possível aplicar a ferramenta Powertrain Comparison em um

veículo convencional, propor e estudar diferentes versões BEV para este, comparando

três propostas de dimensionamento da bateria com relação ao número de trocas na vida

útil. Do resultado, obtiveram-se conclusões condizentes com veículos elétricos

disponíveis no mercado, tanto em nível tecnológico quanto econômico.

O apêndice C, ao final deste trabalho, apresenta uma compilação de todos os dados

que foram estudados tanto na análise de componentes, como na análise de custos.

5.5. Análise Comparativa entre Onix Convencional e

Versões Híbridas e Elétricas

Em continuação, uma das versões BEV propostas no último estudo será

selecionada para ser comparada ao Onix original e à duas versões híbridas (HEV e

PHEV), que também serão geradas na ferramenta Powertrain Comparison do FASTSim.

Da mesma maneira como realizado previamente, para a utilização desta aplicação

devem ser selecionados objetivos e especificações para cada versão proposta ao veículo

de base.

Como autonomia de valor razoável, equivalente a veículos BEV mais simples,

será selecionado o Onix-BEV com alcance de 100 km. Quanto ao cenário de trocas de

bateria, observou-se que o mais atrativo e que mais se assemelha aos modelos disponíveis

no mercado foi o de uma troca ao longo dos 15 anos analisados. Desta forma, será

selecionado o Onix-BEV de 100 km de autonomia e 1 troca de bateria na vida útil.

Para as versões híbridas, serão mantidos os valores default presentes na ferramenta

do programa, que se assemelham dados de veículos HEV e PHEV disponíveis em

mercado. Estas versões serão introduzidas na análise como uma forma de transição entre

o veículo convencional, à combustíveis convencionais e o veículo completamente

elétrico.

50

As especificações e objetivos selecionados para as diferentes versões a serem

comparadas do Onix estão representadas na tabela 21.

Tabela 21 - Especificações das Versões HEV, PHEV e BEV do Onix na

Ferramenta Powertrain Comparison

Sistema de Propulsão Especificação Seleção

HEV Potência do motor elétrico 30 kW Energia máxima da bateria 1,3 kWh Número alvo de trocas da bateria 0

PHEV Potência do motor elétrico 30 kW Autonomia em depleção de carga 48,3 km (30 mi) Número alvo de trocas de bateria 0

BEV Autonomia 100 km Número alvo de troca de baterias 1

HEV, PHEV e BEV Coeficientes mássicos da bateria Coeficientes Lítio-íon

De maneira equivalente ao estudo das versões BEV, os fatores de preço para

dimensionamento dos componentes serão mantidos nos valores padrões do programa.

Similarmente, será mantido o valor atualizado de US$ 200,00 para o preço do kWh da

bateria. Tais fatores foram representados previamente para os componentes das versões

elétricas, na tabela 18. A tabela 22, a seguir, representa os componentes restantes,

necessários às versões convencional, HEV e PHEV.

Tabela 22 - Custos dos Componentes Veiculares Restantes

Componente Parâmetro Valor

Motor de Combustão Preço base US$ 531,00 Preço kW US$ 14,50

Tanque de Combustível Preço kWh US$ 0,07

Igualmente, serão mantidos os parâmetros de mercado utilizados. Na análise das

versões Onix-BEV manteve-se o valor do kWh de eletricidade já existente no programa,

dada a estabilidade deste preço, que ainda possui representatividade no mercado

americano.

Para a gasolina o padrão no programa era de US$ 4,00 por galão (US$ 1,06/L),

valor já não mais representativo, dada a dinamicidade deste preço. Por este motivo,

através da média de levantamentos de preço realizados de agosto a dezembro de 2017 nos

Estados Unidos [31], selecionou-se um valor de US$ 2,80 por galão (US$ 0,74/L), a ser

analisado.

51

Como descrito no capítulo 3, a ferramenta Powertrain Comparison, além de

especificar os veículos e descrever sua performance e seus custos, gera um resumo dos

resultados na forma de gráfico de barras, representando as diferenças nos custos e no

consumo de combustível entre as quatro versões do mesmo veículo.

Através das diferentes cores representam-se os custos desde o preço de fábrica,

dividido entre os diversos componentes, até os custos totais, representados em valor

presente. Ao lado das barras de custos há também uma representação de ícones da

magnitude do consumo médio anual de gasolina para cada veículo.

Com esta estruturação torna-se possível analisar simultaneamente os custos dos

diferentes componentes, a diferença entre os gastos com gasolina e eletricidade e a

alteração no consumo médio anual de gasolina entre os diferentes sistemas de propulsão.

Da maneira que os sistemas de propulsão são dispostos sequencialmente em

convencional, híbrido, híbrido plug-in e elétrico à bateria, representa-se gradativamente

o processo de eletrificação do veículo.

A figura 16 apresenta o resultado após aplicação do algoritmo Powertrain

Comparison para o Chevrolet Onix, com as especificações selecionadas na tabela 21.

Figura 16 - Resultados da Ferramenta Powertrain Comparison para as Versões

Convencional, HEV, PHEV e BEV do Chevrolet Onix

Os dados referentes a figura são dispostos na tabela 23, a seguir:

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

$0

$10.000

$20.000

$30.000

$40.000

$50.000

$60.000

Conv. HEV PHEV BEV

Co

nsu

mo

de

Gas

olin

a (L

/an

o)

Cu

sto

s (V

alo

r P

rese

nte

)

Eletricidade

Gasolina

Troca de Bateria

Imposto de Compra

Bateria

Plugue

Motor Elétrico

Motor de Combustão

Carroceria (+ Tanque)

Gasolina (Consumo)

52

Tabela 23 - Versões do Chevrolet Onix: Convencional, HEV, PHEV e BEV

Conv. HEV PHEV BEV

Carroceria (+ Tanque) $17.067 $17.067 $17.067 $17.014

Motor de Combustão $2.047 $1.667 $1.667 $0

Motor Elétrico $0 $1.614 $1.614 $2.537

Plugue $0 $0 $750 $750

Bateria $0 $2.484 $8.586 $12.396

Imposto de Compra $1.491 $1.781 $2.315 $2.550

Troca de Bateria $0 $0 $0 $10.172

Gasolina $11.093 $9.048 $4.460 0

Eletricidade $0 $0 $2.426 $5.225

Consumo de Gasolina (L/ano) 1299 1059 522 $0

Da figura 16 evidencia-se em primeira ordem o crescimento acentuado dos custos

ao percorrer do veículo convencional em direção às versões carregáveis (PHEV e BEV).

Este comportamento se justifica principalmente pelo preço da bateria nestes modelos,

alcançando $8.586 e $12.396 para as versões PHEV e BEV, respectivamente.

Com o veículo híbrido (HEV), por outro lado, observa-se apenas uma pequena

diferença em relação ao Onix original. Neste veículo, o preço de fábrica continua sendo

maior pela necessidade de uma bateria capaz de maior armazenamento, mas mesmo que

esta composição ainda seja mais custosa que o sistema de propulsão convencional, a

redução no consumo de gasolina implica na pequena diferença observada nos custos totais

na vida útil.

Em adição, na figura 16 também se torna evidente o crescimento da proporção dos

custos com a bateria na progressão do veículo convencional até o completamente elétrico.

Para a versão HEV, a bateria é responsável por 7% do valor presente dos custos,

alcançando 22% para o Onix-PHEV e, finalmente, 45% para o Onix-BEV (25% na

compra e 20% na troca).

No consumo de gasolina, entretanto, a redução é expressiva entre as diferentes

versões. Destaca-se, novamente, o custo-benefício da troca de combustível, onde a

composição de custos com gasolina e eletricidade reduz gradativamente no processo de

eletrificação do Onix original.

A figura 17, a seguir, representa novamente os resultados da ferramenta

Powertrain Comparison, comparando desta vez apenas os custos com gasolina e

eletricidade.

53

Figura 17 - Custos com Gasolina e Eletricidade para as Versões Convencional, HEV,

PHEV e BEV do Chevrolet Onix

Com o presente estudo, portanto, foram confirmadas as vantagens no consumo e

na redução de custos com combustível através eletrificação do sistema de propulsão

original. Por outro lado, a figura 16 confirma o grande impacto da bateria na composição

dos custos dos veículos carregáveis (PHEV e BEV), validando a perspectiva deste

componente ser uma das principais limitações na competitividade contra veículos

convencionais [3].

Deve-se ressaltar novamente que foi estabelecida uma vida útil de 15 anos para

veículo e que os custos com troca de bateria não necessariamente serão absorvidos pelo

consumidor.

Em adição, existem outros fatores não avaliados que promoveriam um ainda maior

benefício na composição dos custos totais de veículos elétricos. A manutenção dos

componentes, por exemplo, possui grande potencial de economia, uma vez que o motor

elétrico exige menos cuidado do que a composição formada pelo motor de combustão,

sistema de alimentação, tanque e caixa de marchas. Os freios também são menos

comprometidos, já que grande parte das frenagens é feita através do sistema regenerativo.

Por fim, já existe incentivos fiscais para veículos elétricos em diversos países, reduzindo

ainda mais os custos para mantê-los.

Dessa forma, torna-se possível atestar o potencial destas tecnologias, justificando

sua penetração crescente no mercado. Seus benefícios tecnológicos e a redução de

emissões locais criam uma perspectiva promissora para o futuro do setor automotivo.

$0

$2.000

$4.000

$6.000

$8.000

$10.000

$12.000

Conv. HEV PHEV BEV

Cu

sto

s (V

alo

r P

rese

nte

)

Gasolina Eletricidade

54

Capítulo 6

Conclusões

Este trabalho se iniciou com a apresentação da ferramenta computacional

FASTSim, capaz de construir simulações veiculares para diferentes tipos de sistemas de

propulsão. Foram descritos a proposta dos desenvolvedores, o procedimento de

introdução de dados, as aplicações e as modelagens envolvidas na construção de

simulações.

Em continuidade, foram simulados no FASTSim dois dos veículos elétricos à

bateria mais relevantes no mercado mundial: Tesla Model S e Nissan Leaf. Através de

dados oficiais, parte deles disponíveis pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados

Unidos (EPA), os resultados gerados pela simulação puderam ser validados com baixa

discrepância, comprovando a eficácia da ferramenta.

Dada a quase total predominância de veículos convencionais na frota brasileira,

foi proposto um estudo de caso com o veículo mais vendido no país nos últimos

levantamentos – o Chevrolet Onix. Através da aplicação Powertrain Comparison do

FASTSim puderam ser geradas versões alternativas deste veículo, testando sistemas de

propulsão alternativos ao tradicional sistema de combustão interna.

Inicialmente, foram propostas versões elétricas à bateria (BEV) do Onix. O

procedimento realizado testou uma série de dimensionamentos dos componentes

veiculares para atender diferentes objetivos de autonomia e longevidade da bateria. Para

tal, foram propostas 30 versões do Onix-BEV, avaliando-se 10 valores de autonomia (50,

60, ..., 140 km) e 3 cenários de trocas de bateria nos 15 anos de vida útil estudados (0, 1

e 2 trocas).

Através da análise dos componentes simulados, comprovou-se inicialmente a

premissa mais trivial, relacionada ao crescimento da capacidade energética da bateria para

atender as maiores autonomias. Em seguida, observou-se o crescimento da capacidade

energética à medida em que se exigia maior longevidade da bateria, ou seja, menos trocas

na vida útil. A este comportamento foi atribuída o efeito da profundidade de descarga

55

(relação entre a energia do utilizada e a máxima energia armazenável) no desgaste deste

componente. Assim, para que o desgaste fosse menor, os cenários com maior durabilidade

da bateria exigiram a referida maior capacidade energética.

Por fim, a análise dos componentes evidenciou ainda o efeito do dimensionamento

da bateria na entrega de potência do veículo. Para que as versões BEV mantivessem a

performance do Onix original, demandou-se maior potência à medida que a bateria se

tornava capaz de armazenar mais energia e, portanto, mais pesada.

A análise dos Onix-BEV simulados seguiu, então, para o âmbito de custos. Para

tal foram estudados dois fatores – o preço de fábrica e o valor presente líquido (VPL) dos

custos totais ao final dos 15 anos de vida útil propostos.

Deste procedimento observou-se um comportamento inverso entre tais fatores.

Nos casos de maior durabilidade da bateria, o preço de fábrica alcançou altos patamares,

dados a exigência de maior capacidade energética e o alto preço por kWh armazenável.

Entretanto, a ausência de trocas foi capaz de trazer os custos finais para valores mais

baixos, comparando-se os Onix-BEV de mesma autonomia.

Apesar disso, ressaltou-se que o custo de troca de bateria não necessariamente

seria absorvido por um único consumidor, dado que não se espera que o veículo

permaneça com o mesmo proprietário ao longo dos 15 anos de vida útil propostos e pela

existência de garantias deste componente pelos fabricantes, baseadas na quilometragem

e no tempo de uso.

Dado o alto custo inicial dos Onix-BEV sem trocas de bateria para a mesma

performance dos demais, destacou-se, assim, a menor atratividade deste cenário. Os

demais cenários, por sua vez, foram condizentes em capacidade energética com modelos

elétricos de performance semelhante em mercado.

Por fim, foi proposta uma nova aplicação da ferramenta Powertrain Comparison

do FASTSim, simulando desta vez três versões alternativas – HEV, PHEV e BEV – do

Chevrolet Onix. Para a o Onix-BEV, selecionou-se a versão com 100 km de autonomia e

1 troca de bateria nos 15 anos de vida útil, simulada previamente. Para as demais versões

mantiveram-se os parâmetros padrões no programa, semelhantes a veículos híbridos e

híbridos plug-in existentes.

56

Através dos resultados quantificou-se uma redução considerável no consumo de

gasolina em cada passo no caminho até a eletrificação completa do Onix. Na versão

convencional foi simulado um consumo de 1299 L/ano, passando para 1059 L/ano com a

versão HEV, 522 L/ano com a versão PHEV e, finalmente, para a ausência de consumo

de gasolina com o Onix-BEV. Destaca-se assim o potencial na redução da poluição local,

característica dos combustíveis convencionais, com as versões elétricas e híbridas.

Este efeito se repercutiu também de maneira positiva nos custos do veículo, onde

o valor presente simulado de US$ 11.093 dos custos com gasolina do Onix original passou

a US$ 5.225 com eletricidade no Onix-BEV.

Ampliando a análise, foi destacada ainda a parcela ocupada pela bateria na

composição dos custos totais do veículo desde o preço de fábrica até o final de sua vida

útil. Esta parcela representou 7% para o Onix-HEV, 22% para o Onix-PHEV e 45% para

o Onix-BEV, sendo para este 25% do custo inicial e 20% com a troca.

Novamente, destacou-se a relevância do preço do kWh da energia armazenável na

bateria na competitividade destes sistemas de propulsão. Para atender às demandas do

consumidor, a necessidade de armazenamento os torna caros. Com este estudo observou-

se como, de fato, o preço de fábrica e os custos finais continuam menores para o Onix

convencional.

Entretanto, ao longo do texto foi mencionada a redução contínua do preço por

kWh das baterias nos últimos anos, dado o constante investimento de fabricantes no

desenvolvimento destes veículos. Esta perspectiva se reflete na crescente penetração

destes modelos no mercado internacional, existindo países com uma parcela já

considerável da frota ocupada por veículos com sistemas de propulsão elétricos.

Para o Brasil o caminho ainda parece longo, com uma participação muito limitada

destes veículos na frota, seja por motivos de disponibilidade, preço e falta de incentivo.

Dentre as principais barreiras presentes no cenário nacional, em comparação com o

padrão americano avaliado neste trabalho, destacam-se principalmente a maior carga de

impostos e uma maior instabilidade nos preços. Ainda assim, a exemplo de outros países,

é possível ter uma visão otimista da disseminação destes automóveis, principalmente se

o incentivo for crescente.

57

Finalmente, a partir deste trabalho torna-se possível indicar possíveis estudos

futuros que ampliem as análises desenvolvidas. Como destacado ao longo do texto, a

ferramenta computacional utilizada está em desenvolvimento e poderá aprimorar cada

vez mais suas análises e ampliar o número de sistemas de propulsão analisáveis. Desta

forma, poderão ser introduzidos outras arquiteturas veiculares na análise comparativa, em

especial os veículos à célula de combustível, tecnologia que tem se mostrado promissora,

principalmente na questão ambiental. Adicionalmente, como este trabalho focou na

utilização da aplicação Powertrain Comparison, um estudo futuro poderia ter seu foco na

aplicação Parametric Study do FASTSim, também descrita e com grande potencial de

construção de análises.

58

Referências Bibliográficas

[1] Automotive World, “2017 Global update: Light-duty vehicle greenhouse gas and fuel

economy standards”. Disponível em: <https://www.automotiveworld.com/news-

releases/2017-global-update-light-duty-vehicle-greenhouse-gas-fuel-economy-

standards/> Acesso em 26 de Junho de 2017.

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[30] Carros - iG, “Impostos: Saiba quanto custariam os carros no Brasil sem a alta carga

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[31] GlobalPetrolPrices.com, “USA Gasoline prices, liter”. Disponível em:

<http://www.globalpetrolprices.com/USA/gasoline_prices/> Acesso em 7 de Dezembro

de 2017.

61

Apêndice A Avaliação do Desgaste da Bateria

Durante a simulação de um veículo, o modelo matemático descrito no capítulo 3

(equação 10) é utilizado para avaliar o desgaste em duas dimensões: ciclos de recarga e

ciclos de aceleração e frenagem regenerativa.

A.1 - Ciclos de Recarga:

Ao longo da vida útil de um veículo recarregável, sua bateria passará por diversos

ciclos de recarga, com diferentes profundidades de descarga. Este fator está relacionado

diretamente com a energia que é introduzida em cada evento de recarga.

Supondo que um veículo percorra uma determinada distância e em seguida seja

carregado até preencher tudo que foi consumido, a magnitude da energia alimentada é

dada por:

𝐸𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 𝐷 ∗ 𝐶𝑒𝑙 ∗ 𝜂𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟

Onde:

▪ 𝐸𝑟𝑒𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − Energia admitida na recarga

▪ 𝐷 − Distância percorrida

▪ 𝐶𝑒𝑙 − Consumo elétrico do veículo (energia/distância)

▪ 𝜂𝑐𝑎𝑟𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜𝑟 − Eficiência do carregador

Dessa forma, é possível quantificar a energia e, portanto, a profundidade de

descarga, envolvida em cada evento de recarga.

Em continuidade, é necessário introduzir um modelo para estabelecer como se

distribuem estes ciclos de recarga ao longo da vida útil do veículo. Isto é, é preciso definir

quais são as distâncias viajadas entre cada evento de recarga.

Para este fim, o FASTSim se baseia em um modelo estatístico. São utilizados os

dados de uma pesquisa nacional realizada nos Estados Unidos em 2001 (NHTS), que

avaliou as distâncias viajadas diariamente por cidadãos americanos [11].

62

Figura 18 - Frequência de Distâncias Viajadas Diariamente (Retirado e Traduzido do

FASTSim)

Partindo da autonomia do veículo, são gerados valores discretos de distâncias

entre recarga. A energia envolvida em cada distância entre recarga é avaliada, e o desgaste

equivalente é calculado através do modelo introduzido no capítulo 3.

Dessa forma, são estabelecidos valores característicos de distância entre recarga

(com seu desgaste específico) e a frequência em que ocorrem é baseada no modelo

estatístico citado.

A tabela 24, a seguir, ilustra a avaliação do desgaste em ciclos de recarga para o

Nissan Leaf 2012. A primeira coluna representa os valores de distância entre recarga

gerados baseados na autonomia do veículo e a segunda representa sua frequência de

ocorrência com base no modelo estatístico descrito anteriormente. As colunas seguintes

indicam a energia introduzida e a respectiva profundidade de descarga. Por fim, as duas

últimas colunas representam respectivamente o desgaste percentual e o desgaste

percentual por unidade de distância percorrida.

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0

12

24

36

48

60

72

84

96

10

8

12

0

13

2

14

4

15

6

16

8

18

0

192

20

4

21

6

22

8

240

25

2

26

4

27

6

288

30

0

Freq

uên

cia

Distância (milhas)

63

Tabela 24 - Avaliação do Desgaste em Ciclos de Descarga para o Nissan Leaf 2012

Distância

Entre Recarga

(mi) Frequência

(%) 𝑬𝒓𝒆𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂

(kWh) DOD (%)

𝝎 (%)

𝝎/D (%/mi)

3,1 2% 0,9 4% 0,0013% 0,0004% 2,6 8% 1,9 8% 0,0035% 0,0006% 9,4 4% 2,8 12% 0,0064% 0,0007%

12,5 9% 3,7 15% 0,0098% 0,0008% 15,6 4% 4,6 19% 0,0135% 0,0009% 18,8 8% 5,6 23% 0,0177% 0,0009% 21,9 3% 6,5 27% 0,0221% 0,0010% 25,0 7% 7,4 31% 0,0269% 0,0011% 28,1 6% 8,4 35% 0,0319% 0,0011% 31,3 3% 9,3 39% 0,0372% 0,0012% 34,4 6% 10,2 43% 0,0428% 0,0012% 37,5 2% 11,1 46% 0,0486% 0,0013% 40,6 4% 12,1 50% 0,0546% 0,0013% 43,8 2% 13 54% 0,0609% 0,0014% 46,9 3% 13,9 58% 0,0673% 0,0014% 50,0 3% 14,9 62% 0,0740% 0,0015% 53,2 2% 15,8 66% 0,0808% 0,0015% 56,3 2% 16,7 70% 0,0879% 0,0016% 59,4 1% 17,6 74% 0,0951% 0,0016% 62,5 2% 18,6 77% 0,1025% 0,0016% 65,7 1% 19,5 81% 0,1101% 0,0017% 68,8 2% 20,4 85% 0,1178% 0,0017% 71,9 16% 21,4 89% 0,1257% 0,0017%

A.2 - Ciclos de aceleração/frenagem regenerativa:

Ao longo dos percursos desenvolvidos são distribuídos diversos eventos de

aceleração e frenagem. Nas situações em que ocorre frenagem regenerativa uma

determinada quantidade de energia retorna à bateria. Esta parcela deve ser quantificada

através da equação de vida da bateria, possibilitando a avaliação do desgaste envolvido

nesta.

Para realizar este cálculo, o FASTSim utiliza seus principais ciclos de simulação,

o ciclo urbano (UDDS) e o ciclo de estrada (HWFET). Ambos os ciclos são avaliados

individualmente, contabilizando toda a energia recuperada como profundidade de

descarga.

64

A seguir está representada uma parte do ciclo urbano para o Leaf 2012, onde

ocorre um evento de frenagem regenerativa. Na primeira parte, tabela 25, estão indicados

os instantes selecionados do ciclo, assim como a velocidade do veículo e a energia da

bateria. Em seguida, na tabela 26 estão dispostos os cálculos de desgaste baseados na

energia recuperada.

Tabela 25 - Ilustração do ciclo UDDS para o Nissan Leaf 2012 de 115s até 123s

Instante (s) Vel. (MPH) Energia Atual (kWh)

115 31,7 22,398

116 28,6 22,404

117 25,3 22,411

118 22 22,416

119 18,7 22,421

120 15,4 22,425

121 12,1 22,428

122 8,8 22,430

123 5,5 22,430

Tabela 26 - Desgaste no ciclo UDDS para o Nissan Leaf 2012 de 115s até 123s

Energia Recuperada

Acumulada (kWh) Prof. Descarga (%) Desgaste (%)

0,0328 0,137% 0,0000097%

Como as tabelas ilustram, toda a energia recuperada neste evento de regeneração

foi somada, convertida em profundidade de descarga e introduzida nas equações

anteriores para cálculo do desgaste.

Ao final do ciclo, todo o desgaste acumulado é somado e dividido pela distância

do percurso, obtendo-se um valor de desgaste por distância percorrida.

Para contabilizar o efeito dos dois ciclos (urbano e estrada), este modelo considera

55% das viagens urbanas e 45% em estrada, somando-as através destas proporções.

Foram obtidos, portanto:

▪ Desgastes característicos de recargas e a frequência que ocorrem

▪ Desgaste médio de eventos de frenagem regenerativa

Para quantificar a vida útil da bateria, deve-se estabelecer um valor médio total.

Através das frequências específicas de ocorrência dos desgastes de recarga obtêm-se um

valor médio de desgaste de recarga por distância percorrida. A este resultado, acrescenta-

65

se o desgaste médio de frenagem regenerativa calculado baseado nos ciclos urbano e de

estrada, como descrito.

Deste modo, obtém-se um valor geral de desgaste percentual por distância

percorrida. Conhecendo-se este percentual, têm-se a distância total que deve ser

percorrida para o desgaste chegar em 100% e a bateria precisar ser trocada.

Aplicado ao Nissan Leaf 2012, o resultado deste modelo calculou um desgaste de

9,74927 ∗ 10−4 % por milha percorrida. Assim, para este desgaste chegar em 100%,

deverão se percorridas:

100 %

9,74927 ∗ 10−4 %= 102.571,8 mi

Portanto, a vida da bateria simulada para o Nissan Leaf 2012 é avaliada em 102.572

milhas (165.074 km).

66

Apêndice B Cálculo da Potência de Frenagem Regenerativa

O diagrama abaixo descreve como é calculada a potência de regeneração

desenvolvida nos ciclos de direção, destacando as restrições e os cálculos realizados.

Potência de

Frenagem

Regenerativa

Potência

nas Rodas

Captura de Regeneração

Velocidade

Máxima

Potência de

Regeneração

Limitada por

Máxima

Potência do

Motor Elétrico

Limitada por

Potência de

Carga Máxima

da Bateria

Limitada por

Máxima

Potência da

Bateria

Máximo Estado

de Carga Estado de Carga

Eficiência round-

trip da bateria

Máxima Energia

da Bateria Intervalo

de Tempo

Equação A

Equação C

Equação B

Entradas

Ciclo

67

Equação A:

𝑃𝑜𝑡𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛 = (𝑃𝑜𝑟𝑐𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛) ∗ 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑜𝑑𝑎𝑠

Onde:

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛– Potência de frenagem regenerativa

▪ 𝑃𝑜𝑟𝑐𝑅𝑒𝑔𝑒𝑛 – Porcentagem máxima de potência recuperável

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑜𝑑𝑎𝑠 – Potência nas rodas

Equação B:

𝑃𝑜𝑡𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑚á𝑥 = 𝐴𝑥4 + 𝐵𝑥3 + 𝐶𝑥2 + 𝐷𝑥 + 𝐸

𝑥 = 𝑀í𝑛𝑖𝑚𝑜 (𝑃𝑜𝑡𝑏𝑎𝑡𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎,𝑚á𝑥; 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐸,𝑚á𝑥 )

Onde:

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑒𝑔𝑒𝑛,𝑚á𝑥 – Máxima potência de regeneração

▪ 𝑥 – Variável auxiliar de regeneração

▪ 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷 𝑒 𝐸 – Coeficientes polinomiais ajustados automaticamente na

simulação a partir dos dados do motor elétrico

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑏𝑎𝑡𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎,𝑚á𝑥– Potência de carga máxima da bateria

▪ 𝑃𝑜𝑡𝑀𝐸,𝑚á𝑥 – Potência máxima do motor elétrico

Equação C:

𝑃𝑜𝑡𝑏𝑎𝑡𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎,𝑚á𝑥 =(𝑆𝑂𝐶𝑚á𝑥 − SOC) ∗ (𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 )

√𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑𝑡𝑟𝑖𝑝 ∗ t

Onde:

▪ 𝑆𝑂𝐶 – Estado de carga (State of Charge)

▪ 𝑆𝑂𝐶𝑚á𝑥 – Estado de carga máximo

▪ 𝐸𝑏𝑎𝑡,𝑚á𝑥 – Energia máxima armazenável na bateria

▪ 𝜂𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑𝑡𝑟𝑖𝑝– Eficiência round-trip da bateria

▪ 𝑡 – Passo de tempo na simulação

68

Apêndice C Compilação de Resultados de Versões Onix-BEV

A tabela a seguir une ambos os resultados econômicos e de dimensionamento

dos componentes para as versões BEV simuladas para o Chevrolet Onix através da

ferramenta Powertrain Comparison, no capítulo 5.

Tabela 27 - Resultados de Versões Onix-BEV Simuladas

Versão Onix-BEV Custos (US$) Motor

Elétrico Bateria

Autonomia

(km)

Trocas

de

Bateria

Bateria Motor

Elétrico Plugue

Preço de

Fábrica Eletricidade

Troca

de

Bateria

Total

(VPL)

Potência

(kW)

Potência

(kW)

Energia

(kWh)

Vida

(km)

50

0 $16.542 $2.631 $750 $36.937 $5.431 $0 $45.249 61 66 44 313.561

1 $10.725 $2.443 $750 $30.932 $5.126 $8.830 $47.301 55 60 26 155.201

2 $8.694 $2.396 $750 $28.855 $5.028 $14.273 $50.406 54 58 19 103.444

60

0 $17.326 $2.725 $750 $37.815 $5.492 $0 $46.257 64 69 47 312.198

1 $11.257 $2.537 $750 $31.559 $5.176 $9.301 $48.497 58 63 27 153.375

2 $9.071 $2.396 $750 $29.232 $5.044 $14.869 $51.424 54 58 20 104.382

70

0 $17.969 $2.725 $750 $38.459 $5.520 $0 $46.979 64 69 49 312.658

1 $11.585 $2.537 $750 $31.886 $5.190 $9.538 $49.101 58 63 28 153.555

2 $9.346 $2.443 $750 $29.553 $5.067 $15.319 $52.244 55 60 21 104.501

80

0 $18.504 $2.725 $750 $38.993 $5.543 $0 $47.578 64 69 51 312.017

1 $12.005 $2.537 $750 $32.307 $5.208 $9.851 $49.885 58 63 30 156.262

2 $9.507 $2.443 $750 $29.714 $5.074 $15.607 $52.712 55 60 22 103.112

90

0 $18.583 $2.725 $750 $39.072 $5.547 $0 $47.667 64 69 51 305.131

1 $12.182 $2.537 $750 $32.483 $5.215 $9.996 $50.228 58 63 30 156.244

2 $9.621 $2.443 $750 $29.828 $5.079 $15.872 $53.105 55 60 22 102.321

100

0 $18.896 $2.725 $750 $39.386 $5.560 $0 $48.018 64 69 52 301.220

1 $12.396 $2.537 $750 $32.698 $5.225 $10.172 $50.645 58 63 31 155.772

2 $9.875 $2.443 $750 $30.082 $5.089 $16.210 $53.728 55 60 23 103.714

110

0 $19.458 $2.725 $750 $39.947 $5.584 $0 $48.647 64 69 54 310.862

1 $12.516 $2.537 $750 $32.817 $5.230 $10.305 $50.912 58 63 31 155.027

2 $10.164 $2.443 $750 $30.371 $5.102 $16.496 $54.337 55 60 24 106.867

120

0 $19.614 $2.725 $750 $40.103 $5.591 $0 $48.822 64 69 54 306.287

1 $12.616 $2.537 $750 $32.918 $5.234 $10.388 $51.107 58 63 32 154.248

2 $10.700 $2.443 $750 $30.907 $5.125 $16.868 $55.310 55 60 26 116.192

130

0 $19.872 $2.772 $750 $40.409 $5.616 $0 $49.176 66 71 55 303.471

1 $12.811 $2.537 $750 $33.112 $5.243 $10.548 $51.485 58 63 32 154.195

2 $11.186 $2.443 $750 $31.393 $5.145 $17.215 $56.201 55 60 27 124.605

140

0 $20.447 $2.819 $750 $41.031 $5.654 $0 $49.885 67 72 57 309.170

1 $12.848 $2.537 $750 $33.149 $5.244 $10.615 $51.594 58 63 32 153.111

2 $12.212 $2.537 $750 $32.513 $5.217 $17.806 $58.072 58 63 30 139.870

estudo de sistemas de propulsÃo veiculares...

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