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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Mobilidade Através da Energia Elétrica

Carros Híbridos e Elétricos

Projeto FEUP 2016/2017 - MIEM -

Equipa 1M5_4:

Coordenadora: Teresa Duarte

Supervisor: Abílio de Jesus Monitor: Mariana Silva

Estudantes & Autores:

Bernardo C. Silva [email protected] João F. Monteiro [email protected]

João O. Moura [email protected] Rodrigo J. Ferreira [email protected]

mailto:[email protected]



mailto:up201604694@

mailto:up201604694@

Mobilidade Através da Energia Elétrica – Carros Híbridos e Elétricos i

Resumo

Este relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP e tem como

principal objetivo compreender melhor a função de um engenheiro mecânico na indústria da

mobilidade elétrica.

A sociedade a nível global está cada vez mais dependente da mobilidade oferecida

por um automóvel. Os carros híbridos e elétricos têm surgido como principal resposta face às

preocupações com a sustentabilidade, com o meio ambiente e a uma possível crise de

petróleo no futuro.

Concluímos que um engenheiro mecânico pode intervir nas mais abrangentes áreas

da mobilidade e da indústria automóvel, desde a criação de novas carroçarias mais leves e

organizadas, passando pelo desenvolvimento de novos motores mais eficientes e com novas

técnicas de recuperação de energia e até mesmo na gestão de energia e reciclagem de

baterias.

Mobilidade Através da Energia Elétrica – Carros Híbridos e Elétricos ii

Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer ao nosso supervisor, Professor Abílio de Jesus, assim

como à nossa monitora, Mariana Santos. A constante ajuda e orientação de ambos foi crucial

na elaboração deste relatório.

Mobilidade Através da Energia Elétrica – Carros Híbridos e Elétricos iii

Índice

1. Introdução ............................................................................................................... 1

2. História do Automóvel Elétrico/Híbrido .................................................................... 2

3. Motorização de Combustão, Elétrica e Híbrida ....................................................... 3

4. Travagem Regenerativa.......................................................................................... 6

5. Baterias .................................................................................................................. 7

6. Carroçaria ............................................................................................................... 9

7. Carro Híbrido: Veículo de Transição? ................................................................... 10

8. Conclusão ............................................................................................................. 11

9. Referências Bibliográficas ..................................................................................... 12

Mobilidade Através da Energia Elétrica – Carros Híbridos e Elétricos iv

Lista de Figuras

Figura 1 - Estrutura de um Carro Híbrido, baseado no Toyota Prius, [5] ......................... 4

Figura 2- Produção de Energia Elétrica em Portugal, Fonte: EDP .................................. 7

Figura 3 - Produção de Energia Elétrica no Mundo, Fonte: IEA ..................................... 7

Figura 4 - Bateria de um Nissan Leaf em módulos [3] .................................................... 8

Figura 5 - Localização da bateria num veículo elétrico.................................................... 9

Mobilidade Através da Energia Elétrica – Carros Híbridos e Elétricos 1

1. Introdução

Este relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular Projeto Feup pela equipa

4 da turma 1M05. O tema proposto incide sobre o papel da engenharia mecânica nos

transportes elétricos sendo que se optou por aprofundar este tema no que diz respeito à

evolução e à história do automóvel, passado pelos híbridos até chegar aos elétricos.

Há mais de 100 anos que engenharia mecânica é usada no transporte e mobilidade

de pessoas. O desenvolvimento da indústria automóvel foi gigantesco no início do século XX,

sendo que nesta época os automóveis elétricos eram os mais procurados. Com o

desenvolvimento da indústria petrolífera o preço dos combustíveis fósseis foi drasticamente

reduzido (enquanto que o custo de um veículo elétrico continuava a aumentar), o que

potenciou o aumento da procura pelos carros a gasolina. Atualmente, a indústria automóvel

mostra-se cada vez mais preocupada com as questões da sustentabilidade ambiental e da

crise petrolífera, o que leva ao surgimento de novos veículos para combater as motorizações

de combustão. Entre eles o carro híbrido, que usa ambos os motores elétrico e de combustão,

e o carro elétrico, que tem uma autonomia cada vez melhor.

Um dos principais problemas dos veículos elétricos incide na sua autonomia que é

muito menor quando comparada com a dos veículos “convencionais”. Esta preocupação

levou à procura de novos materiais que deixem o automóvel cada vez mais leve e até mesmo

ao uso de novas carroçarias que rentabilizem o espaço de maneira a ser possível agrupar

mais bateria. O carro híbrido surge também como uma alternativa a este problema, tendo

uma autonomia elétrica, mas também um depósito para combustível.

Na verdade, o veículo elétrico parece dar resposta a todas os problemas relacionados

com a poluição e a emissão de gases com efeitos de estufa para a atmosfera, mas ainda se

levantam algumas dúvidas sobre a fonte de energia para carregar as baterias dos automóveis

elétricos, e também o destino dessas mesmas baterias que contêm elementos químicos

tóxicos, após o seu ciclo de uso.


2. História do Automóvel Elétrico/Híbrido

Os motores de potência elétrica viram a sua história começar em 1827 quando um

padre Húngaro – Ányos Jedlik – montou o primeiro motor elétrico viável num pequeno carro,

de forma a dar lhe movimento (Matulka 2014).

Em 1835, na Universidade de Groningen, na Holanda, o professor Sibrandus Stratingh

contruiu um pequeno carro elétrico, enquanto que, na Escócia, Robert Anderson montou uma

carruagem elétrica, algures entre 1932 e 1935. Anderson inventou também a primeira

carruagem elétrica motorizada através de células primárias não-recarregáveis. Na mesma

altura, começaram as experiências de carros elétricos sobre carris. (Matulka 2014)

Os avanços foram lentos, mas constantes. Foram sendo superadas barreiras de

velocidade, criadas novas aplicações (carris, locomotivas) e registadas patentes (Matulka

2014).

No ínicio do século XX, a indústria automóvel já estava muito desenvolvida com a

produção de três tipos de motores: elétricos, a gasolina e a vapor. Os veículos elétricos eram

os mais desenvolvidos tecnologicamente, não emitiam qualquer cheiro, vibração ou ruído e

não tinham mudanças. No entanto, a sua pouca autonomia foi um entrave demasiado grande

ao crescimento deste motor e foi rapidamente aniquilado pela concorrência do motor a

gasolina (Matulka 2014).

Também no início do século XX, o checo Ferdinand Porsche em conjunto com o austríaco

Ludwig Lohner desenvolveu o primeiro modelo de carro híbrido. Batizado com o nome Semper

Vivus (latim para sempre vivo), foi apresentado no Salão Automóvel de Paris em 1901. A

versão final, o Lohner-Porsche Mixte acabou por só vender 5 unidades. Após este modelo,

durante quase um século não voltaram a haver projetos de carros hibridos até a Toyota lançar

o seu modelo híbrido Prius em 1997 (Matulka 2014) (Calmon 2011).


3. Motorização de Combustão, Elétrica e Híbrida

Um veículo híbrido elétrico é uma combinação de um veículo de combustão interna

com um veículo de motor elétrico. Os veículos convencionais são movidos por motores de

combustão interna. Têm cilindros onde uma mistura de combustível e ar é inflamada. A

pressão causada pelo deslocamento de ar dentro da câmara de combustão faz os pistões se

moverem, fazendo o automóvel andar. Além de ruído, este tipo de motor emite gases

poluentes, tais como o CO2 e o NOx (Sampaio, Borges, Monteiro, Castro, Fernandes 2014).

Já os motores elétricos utilizam a energia elétrica para a propulsão do veículo, que

está armazenada nas baterias. A energia chega, da rede elétrica, às baterias sob a forma de

corrente alternada sendo necessário transformá-la em corrente contínua imprescindível à

bateria. De seguida, é preciso converter novamente a corrente em corrente alternada para

seguir para o motor. Os inversores são responsáveis por estas modificações. O maior

inconveniente deste veículo é a fraca autonomia (Renault 2016).

Os híbridos elétricos usam como fonte de energia um motor de combustão interna e

um ou mais motores elétricos, de maneira a aumentar a autonomia e a eficiência do veículo.

Um veículo híbrido elétrico tem a seguinte estrutura e constituintes mostrados na

figura 1:

Motor de combustão interna – o veículo híbrido tem um motor a gasolina ou a diesel

idêntico àquele que encontramos na maior parte dos restantes automóveis, contudo, o motor

de um híbrido é normalmente menor. Um motor pequeno é mais eficiente devido ao uso de

peças mais leves e pequenas, à diminuição do número de cilindros e à operação do motor

mais perto da sua carga máxima (PressAuto 2015).

Tanque de combustível – é o aparelho que armazena energia para o motor de

combustão interna (PressAuto 2015).

Motor elétrico – transforma a energia elétrica em energia mecânica, para girar o eixo

do veículo. A tecnologia avançada possibilita também a sua atuação como gerador (converte

a energia mecânica em energia elétrica) (PressAuto 2015).

Gerador – é equivalente a um motor elétrico, mas apenas atua para a formação de

energia elétrica (PressAuto 2015).

Baterias – armazenam energia para o motor elétrico. Produzem energia através da

libertação da energia química dos seus componentes (PressAuto 2015).

Transmissão – efetua a mesma função básica que a transmissão de um automóvel

convencional. Alguns veículos, têm transmissões convencionais, enquanto que outros têm

sistemas de transmissão completamente díspares (PressAuto 2015).


Sistema de controlo – controla a potência (mecânica e elétrica) através de diferentes

estratégias de controlo de energia, que têm como objetivo reduzir as emissões de gases

poluentes e maximizar a gestão de combustível, por exemplo (Dias 2013).

Figura 1 - Estrutura de um Carro Híbrido, baseado no Toyota Prius, [5]

Na aceleração, ambos os motores trabalham em conjunto para dar o máximo

desempenho. O motor elétrico pode mover o veículo em velocidades baixas e entrega

potência adicional quando se acelera mais. Nas ultrapassagens os dois motores operam no

seu máximo para oferecer o melhor desempenho (Toyota 2016).

Na desaceleração, o sistema corta automaticamente o motor de combustão e a

energia é recuperada pelo gerador para começar a recarregar a bateria. Na travagem, a

energia que seria desperdiçada como calor nos veículos convencionais é recuperada para a

bateria através da travagem regenerativa (Toyota 2016).

Quando o veículo está parado, os motores são automaticamente desligados para não

haver dissipação de energia nem emissão de gases. No caso de a bateria acabar, o motor

de combustão interna entra em funcionamento para movimentar o veículo e, ao mesmo

tempo, reabastecer a bateria. Existe também o exemplo dos híbridos “plug-in”, que podem

ser recarregados na tomada (Toyota 2016).


Hoje em dia, existem quatro configurações diferentes de veículos híbridos elétricos:

Híbrido em série;

Híbrido em paralelo;

Híbrido em série – paralelo;

Híbrido complexo.

Híbrido em série

Nesta arquitetura, o motor de combustão é somente usado, e com o gerador elétrico, para

a formação de energia elétrica que pode ser usada de duas maneiras: para ativar o motor

elétrico ou para carregar as baterias. O “esforço de tração” é simplesmente executado pelo

motor elétrico, não havendo nenhuma ligação mecânica entre o motor de combustão e as

rodas motrizes (Dias 2013).

Híbrido em paralelo

Nesta configuração, os dois motores estão juntamente ligados à transmissão. Assim, a

potência pode ser fornecida por ambos os motores ou por cada um deles separadamente

(Sampaio, Borges, Monteiro, Castro, Fernandes 2014).

Híbrido série-paralelo

Esta configuração junta as caraterísticas dos dois tipos anteriores. Confrontado com a

configuração em série, o híbrido série-paralelo apresenta uma ligação mecânica extra entre

o motor elétrico e gerador. Por outro lado, comparando com a configuração em paralelo,

apresenta um gerador adicional. Esta topologia é, portanto, mais complexa e,

sucessivamente, mais dispendiosa (Dias 2013)

Híbrido complexo

Esta configuração é uma evolução da anterior, pois além de apresentar um gerador e um

motor elétrico, tem a particularidade de o gerador se poder comportar como um motor. O

veículo consegue, assim, trabalhar com um motor de combustão e dois motores elétricos,

tendo três fontes de potência. Embora seja semelhante ao híbrido em série-paralelo, este é,

contudo, mais dispendioso por causa da sua maior complexidade (Sampaio, Borges,

Monteiro, Castro, Fernandes 2014) (Dias 2013).


4. Travagem Regenerativa

De maneira sucinta, a travagem regenerativa é um processo que permite recarregar as

baterias aquando da travagem, assim sendo, a energia produzida na desaceleração é

aproveitada para carregar as baterias. O motor elétrico tanto consome energia, no momento

de impulsionar o veículo, como também pode gerá-la quando ajuda na travagem, permitindo

assim aumentar a autonomia do automóvel elétrico (Dias 2013).

Os motores elétricos do automóvel híbrido podem funcionar como geradores, por

intermédio de um sistema de controlo, ou seja, converte energia potencial ou cinética do

automóvel em energia elétrica. É aplicado um binário resistente ao movimento das rodas

motrizes, levando ao abrandamento do carro, gerando assim energia elétrica. Assim sendo,

essa mesma energia originada pelas rodas irá acionar o motor elétrico, que por enquanto irá

funcionar como gerador, convertendo a energia (supostamente não aproveitada) em energia

elétrica. Esta energia é armazenada podendo depois ser utilizada pelo o motor elétrico. Este

sistema de travagem também poderá ser acionado quando o condutor larga o acelerador e

sem por o pé no travão, é ativado um binário muito leve de travagem (Dias 2013).

Travagem Regenerativa em Paralelo

Neste tipo de travagem o motor elétrico (gerador), e o travão mecânico funcionam ao

mesmo tempo, tendo como função reduzir a velocidade do veículo. Parte da energia cinética

é transformada em calor através do sistema mecânico, que é controlado pelo pedal do travão.

Este método não é o mais eficiente, mas possui algumas vantagens como a facilidade do

controlo, baixo custo e ainda, a segurança pois se o sistema de travagem regenerativa falhar

temos o sistema mecânico como recurso (Dias 2013).

Travagem Regenerativa em Série

A grande intenção do sistema de travagem em série passa pela utilização, somente do

motor elétrico para reduzir a velocidade do veículo. Isto só é possível se a força de travagem

solicitada for menor que a força máxima que o motor elétrico pode fornecer, ocorrendo a

travagem através da regeneração de energia, tendo o motor elétrico a função de gerador. Se

a força de travagem pedida for maior à força máxima regenerativa, o motor elétrico usa o seu

binário máximo e o restante é aplicado pelo sistema mecânico. Este método apresenta como

vantagem a eficiência, mas também algumas desvantagens como o seu custo mais elevado,

necessitando também do sistema mecânico de travagem para o caso de o sistema

regenerativo não funcionar ou não for suficiente (Dias 2013).


5. Baterias

Uma das principais razões para o crescimento do mercado dos veículos elétricos, é o

facto de estes serem ecológicos, ou seja, não emitem gases com efeito de estufa para a

atmosfera. Contudo, outra questão que se levanta, é donde é que vem a energia elétrica que

carrega as baterias dos automóveis?

Pela observação do gráfico da figura 2, é possível perceber que mais de 70% de toda a

energia elétrica produzida em Portugal é renovável. Esta facto iria-se refletir também nos

carros elétricos que seriam efetivamente veículos verdes em portugal. Contudo, ao analisar

o mesmo gráfico correspondente aos restantes países do globo, figura 3, constata-se que

apenas 22,7% de toda a eletrecidade produzida é renovável. Isto significa que a circulação

dos carros elétricos pelo mundo não seria feito de um modo realmente ecológico, já que para

recarregar as baterias deste há a necessidade de recorrer a energia elétrica obtida

maioriatariamente através de combustíveis fósseis.

50

,8

8,1

13

,1

3,6

12

,5

9,9

2

É O L I C A H Í D R I C A O U T R A S R E N O V Á V E I S

G Á S N A T U R A L C A R V Ã O C O G E R A Ç Ã O F Ó S S I L

N U C L E A R

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM PORTUGAL (EM PERCEN TAGEM)

16

,4

6,3

21

,6

4,3

10

,6

40

,8

H Í D R I C A O U T R A S R E N O V Á V E I S

G Á S N A T U R A L P E T R Ó L E O N U C L E A R C A R V Ã O

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA NO MUNDO (EM PERCENTAGEM)

Figura 2- Produção de Energia Elétrica em Portugal, Fonte: EDP

Figura 3 - Produção de Energia Elétrica no Mundo, Fonte: IEA


Outra questão polémica que se levanta no assunto das baterias usadas no VE são os

seus ciclos de vida. As baterias destes veículos, tal como as dos telemóveis, também

possuem um ciclo de vida, sendo que ao fim de um limitado número de cargas e descargas

tornam-se inúteis num carro, já que a sua autonomia vai diminuindo consideravelmente.

Um estudo recente da Universidade da California afirma que daqui a cerca de 20 anos

existiram entre 1,3 a 6,7 milhões de baterias usadas provenientes de carros elétricos. De

acordo com o mesmo relatório, 85% destas baterias estariam ainda aptas para outras

utilizações que não em carros (Voelcker 2014).

Figura 4 - Bateria de um Nissan Leaf em módulos [3]

Apesar da maioria das empresas da indústria automovel já ter planos próprios de

reciclagem destas baterias, esta não se mostra a solução mais rentável. Os custos da

reciclagem não seriam compensados pelo valor da venda dos produtos recuperados(Voelcker

2014).

Uma das aplicações com mais potencial para as baterias usadas, seria acopla-las a

painéis fotovoltaicos de redes domésticas. Desta maneira seria possível não só produzir

energia elétrica, mas também armazená-la durantes os períodos onde ocorressem picos de

produção (Voelcker 2014).


6. Carroçaria

A constante evolução dos automóveis, e a introdução de novas soluções ecológicas no

mercado, obriga também ao desenvolvimento de novas carroçarias cada vez mais leves e

com diferentes organizações dos componentes de maneira a ser possível acoplar mais

baterias.

Nos automóveis convencionais o material utilizado na sua construção é o aço, que é um

material consideravelmente pesado. Mais recentemente, o alumínio começou a ser usado no

fabríco do corpo do automovel, a principal vantagem deste é que é um metal mais leve.

Também os compósitos com a fibra de carbono está a começar a ser adotava na construção

dos VE’s, esta fibra é significativamente mais leve quando comparada com o aço e até mesmo

com o alumínio, contribuindo assim para uma melhor autonomia destes veículos. A única

desvantagem deste material mais inovador e recente é o seu preço que ainda não se mostra

competitivo o suficiente para subrtituir na totalidade o alumínio e o aço, estando apenas

presente em carros de gama alta (Pereira, Ribeiro, Maia, Neves, Moreira 2010)

A evolução das carroçarias é visível não só nos materiais que se usam na sua construção,

mas também na forma como se organiza os componentes do automóvel dentro desta. Como

é possível observar na figura 5, a zona inferior aos assentos traseiros fica completamente

preenchida por módulos de bateria. Esta nova organização da carroçaria permite rentabilizar

o espaço disponível, de maneira a acoplar uma maior quantidade de bateria.

Figura 5 - Localização da bateria num veículo elétrico

Apesar da autonomia dos VE ainda estar longe daquela alcançada por um veículo de

combustão interna, a evolução individual de cada componente do veículo (neste caso a

organização da carroçaria) está de facto em constante evolução contribuindo assim para um

futuro onde os carros elétricos serão certamento os mais usados.


7. Carro Híbrido: Veículo de Transição?

Apesar do carro híbrido se mostrar como uma solução independente do veículo

elétrico, existe quem defenda que este é apenas um veículo de trasição até que a tecnologia

evolua o suficiente para se obter um carro 100% elétrico que seja efetivamente funcional e

com uma autonomia aceitável quando comparada com a dos veículos de motor de combustão

interna.

Um dos principais fatores que leva à procura de novas soluções na indústria da

mobilidade pessoal são de facto as evidentes alterações climáticas que poderão trazer

consequencias realmente prejudiciais para o ambiente. Também a consciencialização de que

poderemos passar futuramente por uma crise de petróleo onde o preço dos combustíveis

fósseis iria disparar leva ao aumento da preferência por estes novos veículos que não são

completamente dependentes de gasolina ou gasóleo, etc. (Stussi 2009)

“Assim, o veículo elétrico híbrido é uma solução de transição para a introdução do carro

elétrico nas nossas estradas – solução mais eficaz. Essa transição será sempre longa (5, 10,

20 anos?).” (Stussi 2009)


8. Conclusão

Após a realização deste projeto conclui-se que, de facto, a engenharia mecânica é

uma área extremamente abrangente.

Apenas dentro da indústria automóvel e mais especificamente da mobilidade elétrica,

um engenheiro mecânico pode trabalhar na configuração das motorizações, no

desenvolvimento de novas tecnologias que permitem aumentar a autonomia destes

automóveis e de novos materiais para carroçarias, na área da obtenção de energia e até

mesmo na reciclagem de baterias.

Foi também possível concluir que os veículos híbridos são vistos como uma solução

de transição, ou seja, enquanto os carros 100% elétricos não têm uma autonomia

suficientemente boa, os híbridos são a solução mais eficaz a dar resposta a este e a outros

pontos fracos dos automoveis elétricos.


9. Referências Bibliográficas

[1] Internacional Energy Agency. 2016. "Key World 2016." In.

https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld2016.pdf

(accessed 09/10/2016).

[2] Dias, C. M. T. . 2013. Projeto e desenvolvimento de um automóvel híbrido, Faculdade

de Engenharia, Universidade do Porto, Porto.

[3] Voelcker, John. 2016. Electric-Car Batteries: What Happens To Them After Coming

Out Of The Car? 2014 [cited 09/10/2016 2016]. Available from

http://www.greencarreports.com/news/1093810_electric-car-batteries-what-happens-

to-them-after-coming-out-of-the-car.

[4] Matulka, Rebecca. 2016. The History of the Electric Car 2014 [cited 14/10/2016 2016].

Available from http://energy.gov/articles/history-electric-car.

[5] Julia Layton, Karim Nice. "Como Funcionam Os Carros Híbridos?"

http://carros.hsw.uol.com.br/carros-hibridos.htm.

[6] Calmon, Fernando. 2011. "Criado em 1901, Lohner-Porsche Mixte foi o primeiro carro

híbrido da história."

[7] Bernardo Sampaio, Catarina Borges, Diogo Monteiro, Francisco Castro, Francisco

Fernandes. 2014. "Engenharia Mecânica Nos Motores Dos Automóveis."

[8] Ana Pereira, António Ribeiro, Bruno Maia, Inês Neves, and Pedro Moreira. 2010.

"Materias Usados Na Conceção De Um Automóvel."

[9] Stussi, Robert. 2009. "O Veículo Eléctrico Híbrido É Uma Solução De Transição."

http://www.greencarreports.com/news/1093810_electric-car-batteries-what-happens-to-them-after-coming-out-of-the-car

http://www.greencarreports.com/news/1093810_electric-car-batteries-what-happens-to-them-after-coming-out-of-the-car

http://energy.gov/articles/history-electric-car

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