recuperação de energia em veículos pesados

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Recuperação de Energia em Veículos

Pesados

Bruno Filipe Azevedo Costa

VERSÃO DE TRABALHO

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientador: Adriano da Silva Carvalho (Prof. Doutor)

3 de Julho de 2013

c© Bruno Azevedo, 2013

Resumo

O mercado dos transportes de mercadorias e passageiros vê-se confrontado, por um lado,com o aumento do preço do combustível, e por outro, com as políticas europeias, no que dizrespeito à redução das emissões de gases poluentes. Neste sentido, verifica-se uma evolução emtermos estratégicos e de investimento por parte dos fabricantes mundiais. Os níveis de avanço edesenvolvimento da tecnologia relacionada com os sistemas de armazenamento e tração elétricatêm permitido a evolução e renovação dos conceitos de mobilidade e transporte.

O presente documento trata as tecnologias e métodos de armazenamento, controlo, conversãoe produção de potência elétrica nos veículos pesados. Passando pelo estudo do alternador até àapresentação das vantagens de utilização de novas fontes de energia, tenta-se demonstrar as váriaspossibilidades que permitem conceber sistemas com baixa manutenção, ausência de ruído, baixoconsumo de energia e um longo ciclo de vida.

É apresentado um conceito que transforma em proporção o tamanho e peso de um Veículo Pe-sado numa vantagem energética, e até numa possibilidade de controlo e equilíbrio da rede elétrica.

No sentido de descentralizar e diversificar de fontes de energia num veículo, propõe-se umsistema modelar, portável, flexível e facilmente adaptável às arquiteturas de veículos existentesno mercado. Este sistema compreende a produção fotovoltaica, recuperação de energia duranteas travagens e ainda integra um sistema de gestão e controlo dos fluxos de potência entre ossubsistema, alargando o nível de hibridização.

É apresentada uma solução mecânica para a integração deste conceito num camião rígido,abrindo caminho para a validação experimental dos resultados teóricos obtidos ao longo da disser-tação.

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Abstract

The market of transportation of goods and passengers has to face, on one hand, the rising fuelcosts and, on the other hand, the european policies in regard of the emission of polluting gases. Assuch, there is a tend in strategic and investment terms from manufacturers all over the world. Thelevel of progress and advancement that the technology required for storage systems and electrictraction has been enabling the devolpemnt and renewal of mobility and transportation concepts.

This paper addresses storage methods and technologies, control, conversion and production ofelectrical power in vehicles. By describing the study of the alternator and presenting the advanta-ges in the usage of new energy sources, this paper attempts to demonstrate the various possibilitiesthat allow the conceptualization of systems with low maintenence, absence of noise, low energyconsumption and large life cycle.

Therefore, it is presented a concept that transforms the proportion of size and weight of aheavy vehicle in an advantage energy wise and even in the control and balance of an electricalgrid.

In order to decentralize and diversify energy sources in a vehicle, it is proposed a system that ismodel, portable, flexible and easily adaptable to the vehicle arquitectures currently on the market.This system encompasses the photovoltaic production, the recovery of energy lost during brakingand incorporates a system to manage and control power flows in-between subsystems, wideningthe level of hybridization.

All in all, in this document it is presented a mechanical solution for the implementation of theconcept explained above in heavy vehicles, thus opening, the validation of the theorical resultsattained during the dissertation.

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Agradecimentos

A execução da presente dissertação teve por base um somatório de esforços e saberes prove-nientes de um leque variado de pessoas a quem desejo agradecer. Ao longo deste percurso tive ameu lado pessoas que, de forma direta ou indireta, foram fundamentais para a sua concretização.

Um agradecimento particular ao Professor Adriano Carvalho que influenciou, desde sempre, arealização deste trabalho com o seu conhecimento, exigência e disponibilidade. Professor AdrianoCarvalho, o meu sincero obrigado, não apenas pelas competências e estímulos transmitidos, masigualmente pela amabilidade e partilha de experiências que se revestiram como importantes pilarespara a execução deste projeto.

Agradeço à Engenheira Cláudia Trindade e ao Professor José Ferreira Duarte pelo seu contri-buto, disponibilidade e colaboração que contribuíram para o rigor e fidedignidade deste projeto.

Aos meus companheiros com quem trabalhei lado a lado, agradeço o empenho, a dedicaçãoe a colaboração ao longo de todo este processo. Rodrigo Pires e Sérgio Almeida, um grandeobrigado pela clareza e ajuda em ultrapassar certos obstáculos que me proporcionaram momentosde reflexão, crescimento pessoal e profissional e, acima de tudo, a amizade que guardo comigo.

O meu muito obrigado ao André Choupeiro, Bruno Gonçalves, Diogo Silva, João Carvalho,João Lemos e Ricardo Rodrigues que sempre estiveram ao meu lado, quer pelo interesse motivadorcomo também pelo apoio constante e os momentos vividos que enriqueceram este meu caminho.

À minha namorada Denise, um especial agradecimento por todo o apoio, compreensão e aber-tura para partilhar as minhas ambições, os meus receios e os meus momentos do dia-a-dia. A tuaforça e o teu carinho tornaram mais fácil este caminho.

E por fim, aos meus pais, pelo espírito de trabalho e pelos valores transmitidos porque cons-truíram os degraus para eu alcançar os meus objetivos.

A todos, um muito obrigado!

Bruno Filipe Azevedo Costa

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“Life is like riding a bicycle.To keep your balance, you must keep moving.”

Albert Einstein

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Conteúdo

1 Introdução 11.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Estrutura do Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Estado da Arte 52.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Energia Rotativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.1.2 Sistema Integrado Alternador/Motor de Arranque . . . . . . . . . . . . . 72.1.3 Recuperação de Energia na Travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.4 Produção Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.1 Baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2.2 Super Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.3 Células de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2.4 Volantes de Inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2.5 Hibridização de Sistemas de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . 18

2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Conversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.2 Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.3 Estratégias de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.3.4 Plataformas de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Análise e Projeto do Sistema 293.1 Análise da Dinâmica do Veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1.1 Modelo de forças . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.1.2 Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Análise dos Ciclos de Condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3.1 Unidade auxiliar - Sistema frigorífico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.3.2 Subsistemas de Produção de Energia Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3.2.1 Travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.3.2.2 Produção fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.3 Subsistema de Armazeamento de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.4 Arquitetura do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4.1 Análise de Necessidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.4.2 Requisitos do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4.3 Conceito do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

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x CONTEÚDO

3.5 Desempenho da Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4 Sistema de Travagem Regenerativa 554.1 PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.1 Tipos de Máquinas PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.2 Modelação e Controlo do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.1 Estratégia de Controlo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.2.2 Estabelecimento do Binário de Travagem Regenerativa . . . . . . . . . . 634.2.3 Filtro no Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2.4 Controladores PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3 Desempenho do STR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.3.1 Resultados de Simulação Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo 755.1 Projeto do Subsistema Mecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.2 Gestão do Sistema de Armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Modelação e Controlo do Barramento CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5.3.1 Conversor CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.3.1.1 Dimensionamento da bobine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3.1.2 Dimensionamento da Condensador . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.3.2 Arquitetura do Barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.4 Desempenho do Sistema Integrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.4.1 Resultados de Simulação Computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6 Conclusões 936.1 Conclusões da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936.2 Desenvolvimentos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Referências 95

A Tabelas 99A.1 Ciclos de Condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio 2013 . . . . . . 101

B Fórmulas 103B.1 Dimenisonamento da correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Lista de Figuras

1.1 Consumo Final de Energia, por setor, EU-27 (Mtep) . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Dados do Eurostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Diagrama de cargas do automóvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Curva característica de um alternador: nL - velocidade com motor ao ralenti, nN -

velocidade à corrente nominal, IL - corrente com o motor ao ralenti, IN - correntenominal, P1 - Potência de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 ISG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.4 ISG acoplado por correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.5 Desempenho da hibridização dos sistemas de travagem . . . . . . . . . . . . . . 92.6 Esquema da arquitetura de um sistema de travagem regenerativa paralela . . . . . 102.7 Curva característica corrente-tensão e potência-tensão num PV . . . . . . . . . . 112.8 Diagrama de operação da Célula de Combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.9 Esquema da estrutura de um volante de inércia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.10 Topologias de Sistemas Híbridos de Armazenamento de Energia . . . . . . . . . 192.11 Conversores CC/CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.12 Unidades básicas usadas para construir conversores multiporto bidirecionais . . . 222.13 Esquema da estrutura convencional e estrutura multiporto . . . . . . . . . . . . . 232.14 Topologias de Inversores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.15 Comparação do controlo PWM e SVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.16 Diagrama de blocos de uma célula lógica numa FPGA . . . . . . . . . . . . . . 26

3.1 Diagrama de forças que atuam no veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2 Arquitetura da transmissão do veículo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.3 Diagrama do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.4 Visão geral dos consumos de potência e energia nos veículos . . . . . . . . . . . 353.5 Potência ao longo do percurso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.6 Esquema do sistema frigorifico Carrier R© Supra 950 Mt (imagem adaptada a par-

tir da folha de especificações) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.7 Relação da energia de tração com a energia de travagem . . . . . . . . . . . . . . 393.8 Relação da energia de travagem com a energia consumida pelo Sistema frigorifico 393.9 Relação da energia da energia de travagem com a velocidade do camião . . . . . 403.10 Distribuição da potência pela energia de travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.11 Distribuição da potência de travagem pela gama de velocidades . . . . . . . . . . 413.12 Planta da DAF FA CF75 (valores apresentados em milímetros) . . . . . . . . . . 413.13 Variação da corrente e tensão na bateria e no Super Condensadores (SC) com um

degrau de corrente na saída . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

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xii LISTA DE FIGURAS

3.14 Evolução diária do total de energia consumida pelo Sist. Frigorifico em relação àenergia recup. na travagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.15 Proposta da arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.16 Características de potência-binário-velocidade do motor EMRAX R© standard com

IP21 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.17 Relação entre a energia total de tração e a energia total regenerada com o motor

de 80 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.18 Relação entre a energia total consumida pelo Sist. frigorifico e a energia total

regenerada com o motor de 80 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.19 Variação diária do estado de carga dos sistema de armazenaento . . . . . . . . . 513.20 Binário aplicado pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema com

travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.21 Potência aplicada pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema com

travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.1 Esboço do camião com o STM e STR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2 Configurações do rotor do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.3 PMSM com rotor interior e exterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.4 Circuito equivalente do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.5 Diagrama vetorial, em regime permanente, do PMSM no referencial d-q . . . . . 614.6 Diagrama do sistema de controlo do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.7 Visão geral do controlador para os sistemas de travagem . . . . . . . . . . . . . 644.8 Algoritmo para estimação da referencia de binário para o STR . . . . . . . . . . 644.9 Diagrama de Bode do filtro LC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.10 Lugar Geométrico de Raízes da função transferência do filtro LC . . . . . . . . . 674.11 Controlador PI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.12 Curva do binário-potência do PMSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.13 Sistema de potência implementado em PSIM R© . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.14 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo constante . . . . . 714.15 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo dinâmico . . . . . 714.16 Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo variável à veloci-

dade limite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.17 Comportamento do STR para um pedido de binário de travagem variável . . . . . 734.18 Operação do EMRAX como motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.1 Planta da cadeia de transmissão do DAF FA75. 1- Semi-eixos, 2 - Veio com luvaentrada do diferencial, 3 - veio fico saída caixa, 4 - caixa de velocidades . . . . . 76

5.2 Peça de aperto ao veio para suporte da cremalheira . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3 Esquema do acoplamento do STR. 1- Local de aplicação, 2 - Barra de suporte para

motor, 3 - Suporte central do veio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.4 Esquema de fixação do motor à barra do chassi . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5 Cálculo do passo métrico da correia. Eixo x: Potência [kW . . . . . . . . . . . . 805.6 Esquema do sistema polias e correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.7 Esquemas da polia e do dispositivo de fixação de veios. . . . . . . . . . . . . . . 825.8 Esquema do sistema polias e correia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.9 Diagrama da estratégia de gestão do barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.10 Conversor CC dois quadrantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 865.11 Esquema da arquitetura do barramento, seleção de fontes . . . . . . . . . . . . . 885.12 Sistema integrado de controlo de barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

LISTA DE FIGURAS xiii

5.13 Esquema da arquitetura do barramento adotado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.14 Resultados da simulação do barramento com seleção de fontes . . . . . . . . . . 915.15 Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema

em travagem regenerativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.16 Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema

em travagem regenerativa dinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

xiv LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

2.1 Eficiência de módulos PV baseados em diferentes tecnologias . . . . . . . . . . 122.2 Comparação dos diferentes tipos de baterias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 Vantagens e desvantagens dos Super Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 Características das diferentes categorias dos UC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.5 Tipos de células de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.6 Estimativa de pesos do HSAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.7 Comparação entre a estrutura convencional e multiporto . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Valores do coeficiente de resistência aerodinâmica para os vários tipos de veículos 303.2 Coeficientes de resistência ao rolamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Especificações consideradas no cálculo das expressões (dados retirados da folha

de especificações do veículo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.4 Resumo dos valores das forças e binários . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.5 Dados de funcionamento do sistema frigorifico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.6 Radiação solar e energia produzida a partir dos painéis fotovoltaicos . . . . . . . 423.7 Peso do sistema de armazenamento de energia (SAE) apenas com uma tecnologia

de armazenamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.8 Parâmetros do sistema hibrido de armazenamento de energia . . . . . . . . . . . 45

4.1 Parâmetros do motor EMRAX inseridos no simulador . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.1 Parâmetros calculados para o dimensionamento da correia e polia . . . . . . . . 815.2 Características da Polia dentada cega 40-14M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.3 Características do tolok TLK401120x165 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.4 Parâmetros utilizados na simulação do barramento . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

A.1 Características do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100A.2 Características do ciclo de condução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

xv

xvi LISTA DE TABELAS

xviii ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Abreviaturas e Símbolos

AFC Alkaline Fuel Cell

Ah Amperes horaa-Si silício amorfoBLDC Brushless DC Electric Motor

BSG Belt Starter Generator

CA Corrente AlternadaCAE Conversor de Acoplamento ElétricoCAM Conversor de Acoplamento MagnéticoCC Corrente ContinuaCIGS Cobre Índio Gálio SelenietoC-ISG Cranckshaft Integrated Starter Generator

CORDIC Coordinate Rotation by Digital Computer

DC Direct Current

DSP Digital Signal Processors

DMFC Direct Metanol Fuel Cell

ELDC Condensadores de Dupla CamadaEMF Força Contra EletromotrizEPC Condensadores Pseudo EletromecânicosFC Fuel Cell

FOC Field Oriented Control (controlo por orientação de campo)FPGAs Field Programmable Gate Array

HSAE Sistemas de Armazenamento de Energia HíbridosIsc Current Short Circuit

ISG Integrated Starter Generator

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell

MIMO Multi-Input Multi-Output

MPP Maximum Power Point

Mtep Milhões de toneladas equivalentes de petróleoNi-Cd Níquel-CádmioNi-MH Níquel- Metal HídricoPAFC Phosphoric Acid Fuel Cell

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cells

PI Proporcional IntegralPM Permanent Magnets (ímanes permanentes)PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor

PV Painéis FotovoltaicosPWM Pulse width modulation

SCs Super CondensadoresSOC State of Charge

SOFC Solid Oxide Fuel Cell

SAE Sistema de Armazenamento de EnergiaSRM Switched reluctance Motor

STM Sistema de Travagem MecânicoSTR Sistema de Travagem RegenerativaSVM Space Vector Modulation

UC Ultra Condensadores

ABREVIATURAS E SÍMBOLOS xix

A ÁreaD Duty cycle

M Massa do veículoKp Ganho ProporcionalKi Ganho Integralg Aceleração da gravidadefr coeficiente de resistência de rolamento do pneuρa densidade do arδ fator de inérciaυ velocidadeω velocidade angularτ binário

Capítulo 1

Introdução

Neste capítulo será apresentada a motivação e o enquadramento do tema que foi objeto de es-

tudo e análise, durante a Dissertação. Desta forma, e no seguimento deste trabalho, serão apresen-

tados na secção 1.2 os objetivos a atingir com este trabalho, seguindo-se um resumo da estrutura

deste documento na secção 1.3.

1.1 Motivação

Os níveis de consumo e o preço da energia utilizada no sector dos transportes determinam a

flutuação do valor das mercadorias e bens transacionados, afetando de certa forma os produtos

adquiridos pelo consumidor final. Esta cadeia está fortemente dependente do valor do petróleo, e

para além disto, este mostra-se responsável pelos desequilíbrios ambientais verificados nos últimos

anos. Pelos dados do Eurostat [1], em 2010, o sector dos transportes representou quase 32% do

Figura 1.1: Consumo Final de Energia, por setor, EU-27 (Mtep) [1]

1

2 Introdução

consumo final de energia na EU-27 (figura 1.1). Dentro do setor dos transportes o maior consumo

de energia verifica-se nos transportes terrestres (figura 1.2a).

Será fácil perceber que este consumo é necessário para alimentar o sistema de propulsão dos

Veículos Pesados (VP), como camiões e autocarros, e para além destes, é essencial para alimentar

unidades de geração de energia elétrica nos sistemas de refrigeração de contentores e reboques.

Estes veículos incluem vários equipamentos para o acondicionamento e tratamento das merca-

dorias, e estes representam um consumo significativo da potência disponibilizada pelo motor de

combustão. Por conseguinte, a poupança de combustível passa também pelo controlo e otimização

dos sistemas auxiliares, podendo atingir uma redução de 5% a 10% no consumo, dependendo do

sistema [2].

(a) Consumo final de energia, por modo de transporte,EU-27 (Mtep)

(b) Consumo energético final nos transportes, porcombustível, EU-27 (Mtep)

Figura 1.2: Dados do Eurostat [1]

Analisando o VP noutra perspetiva, este pela dimensão que apresenta, torna-se um desafio para

as redes energéticas do futuro. Tendo em conta a área da superfície dos reboques e carroçarias, a

aplicação de Painéis Fotovoltaicos (PV) pode assistir e alimentar as cargas elétricas dos veículos.

Pode, ainda em parque, assistir a rede elétrica durante as horas de ponta, tornando-se, desta forma,

numa fonte de rendimento. De outro modo, comparativamente com os veículos ligeiros podem ser

vistos como uma potencial carga para a rede durante o carregamento das suas baterias [3]. Desta

forma, os VPs apresentam um elevado potencial de recuperação de energia, reduzindo os níveis

de consumo e a dependência dos derivados de petróleo.

Posto isto, o presente tema foca-se na recuperação de energia durante as desacelerações e

travagens e o armazenamento desta em baterias, com vista alimentar o sistemas de refrigeração

da carroçaria e/ou reboque. Esta configuração propõe diminuir o número operações por hora do

gerador a gasóleo ao longo do tempo, que é utilizado exclusivamente neste sistema auxiliar (nos

sistemas atuais). Esta solução pode, futuramente, evoluir com a substituição total da unidade

geradora a gasóleo e componentes associados.

1.2 Objetivos 3

1.2 Objetivos

O foco da dissertação aponta para o estudo e análise dos ciclos de funcionamento de VPs de

mercadorias com sistema de refrigeração e plataforma elevatória, concretamente num camião DAF

FA CF75. O interesse passa pela aplicação de um sistema de travagem regenerativa e pela instala-

ção de PV na superfície da viatura, o que permite o carregamento das baterias e a alimentação do

sistema de frigorífico.

Desta forma pretende alcançar-se no decorrer da dissertação os seguintes objetivos:

- Analisar a dinâmica do veículo e os ciclos de condução tipicos do VP em causa;

- Projetar uma solução/estrutura capaz de responder aos requisitos funcionais;

- Modelar e simular os conversores para o sistema;

- Análise do desempenho dos subsistemas.

- Projetar um protótipo que integre os vários subsistemas no veículo.

1.3 Estrutura do Documento

O documento encontra-se dividido em 6 capítulos, sendo que em cada um deles serão aborda-

dos os seguintes aspetos:

Capítulo 1 - Contextualização do tema e os motivos para o seu desenvolvimento, os objetivos

da dissertação e a estrutura do documento;

Capítulo 2 – Estado da arte das fontes de energia elétrica, sistemas de armazenamento, conver-

sores de potência e estratégias de controlo. É apresentado ao longo do capítulo 2 uma descrição

sumária de cada uma das tecnologias, apontando as vantagens e desvantagens, bem como o respe-

tivo âmbito de aplicação;

Capítulo 3 - Análise da dinâmica do veículo, ciclos de condução e sistemas auxiliares. Neste,

será apresentado a arquitetura do sistema que suporta a análise de necessidades e respetivos requi-

sitos do projeto;

Capítulo 4 – Análise e projeto do subsistema de travagem regenerativa;

Capítulo 5 – Acoplamento do subsistema de produção de energia durante a travagem e res-

petivo sistema de armazenamento no veículo. Análise da integração dos subsistemas com vista à

construção de um protótipo;

Capítulo 6 – Apresentação das conclusões da dissertação e as sugestões para desenvolvimentos

futuros.

4 Introdução

Capítulo 2

Estado da Arte

Neste capítulo pretende fazer-se a revisão bibliográfica apontando para os sistemas de produ-

ção, conversão e armazenamento de energia. Serão apresentadas tabelas que resumem e facilitam

a leitura das tecnologias disponíveis no mercado, de forma a diversificar as soluções para os re-

quisitos e necessidades do projeto.

2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica

O tipo de construção de um gerador para automóvel é determinado pela necessidade da energia

elétrica imposta pelo equipamento e baterias do veículo.

Esta secção apresenta o estado da arte relativamente aos métodos de produção de energia

utilizados nos VPs, fazendo ainda uma revisão da tecnologia solar fotovoltaica. Esta justifica-se,

pelo facto de despertar interesse entre construtores e investigadores, tendo-se intensificado a partir

do momento que um avião voou mais de 24 horas alimentado pela energia do sol [4].

Este subcapítulo desenvolve-se a partir da solução convencional, o alternador, passando pela

sua evolução que constitui um sistema, que integra neste a função, de motor de arranque. Alinhado

com a tecnologia implementada pela DAF R© e pela Volvo R© [5], nos seus camiões híbridos, este

também faz referência aos sistemas de travagem regenerativa e volante de inércia.

2.1.1 Energia Rotativa

Nos veículos com motor de combustão interna, quando este está parado a bateria é a fonte de

alimentação do sistema elétrico do automóvel. Quando este entra em funcionamento, o alternador

torna-se a fonte de produção de energia, responsável pelo carregamento da bateria e alimentação

das cargas elétricas do veículo (figura 2.1). A eficiência deste aumenta com a velocidade de rotação

ditada pela relação de transmissão com a cambota, que nos veículos comerciais é mais de 1:5 [6].

Trata-se de uma máquina com enrolamento trifásico no estator e um enrolamento de excitação

no rotor. De maneira a alimentar as cargas do veículo em CC, com uma tensão de saída constante

ao longo da gama de velocidades e variação da carga do motor, o alternador é composto por um

5

6 Estado da Arte

Figura 2.1: Diagrama de cargas do automóvel

circuito que retifica a corrente de saída, um de regulação da tensão e outro que controla a corrente

de excitação [6].

O circuito de retificação é composto por uma ponte trifásica com 6 díodos de potência. Para

além da retificação da corrente alternada gerada nos três enrolamentos, estes separam o alternador

e a bateria do sistema elétrico do automóvel, prevenindo assim o descarregamento da mesma

quando a sua tensão é superior à do alternador, mesmo quando o veículo está parado.

O regulador de tensão controla o nível de corrente de excitação, por sua vez o campo magnético

e com ele a tensão induzida podem ser reforçados ou enfraquecidos, aumentando ou diminuindo a

corrente CC que flui no enrolamento. Assim como a eficiência, também o desempenho varia com

Figura 2.2: Curva característica de um alternador: nL - velocidade com motor ao ralenti, nN -velocidade à corrente nominal, IL - corrente com o motor ao ralenti, IN - corrente nominal, P1 -Potência de entrada [6]

2.1 Sistemas de Produção de Energia Elétrica 7

a velocidade de rotação, sendo este capaz de operar para velocidades diferentes, dando resposta ao

consumo de potência das cargas ligadas, mesmo com o motor ao ralenti, ou seja a baixas rotações.

A figura 2.2 apresenta a curva característica do alternador.

Deste gráfico, na figura 2.2, retira-se informação relativa à potência de entrada, que deve ser

tida em conta nos cálculos da potência necessária para acionar o alternador numa dada velocidade.

Depreende-se através da observação do gráfico que com o aumento gradual da velocidade média,

a curva característica de potência sobe contra as altas velocidades.

Importa salientar que a potência de entrada e de saída podem ainda ser usadas para calcular a

eficiência desta máquina.

2.1.2 Sistema Integrado Alternador/Motor de Arranque

A percentagem de combustível que é usada pelo motor para manter o alternador em funciona-

mento, e simultaneamente, suportar o seu peso juntamente com o do motor de arranque e bateria é

de aproximadamente 5% nos automóveis de média dimensão. Isto significa que numa viagem de

100 km e um peso de 10 Kg, ou uma potência de saída do alternador na ordem dos 100W, a média

de consumo será aproximadamente 0,1 L/100km [6].

Por conseguinte, e considerando o aumento dos requisitos de energia por parte dos sistemas

elétricos nos automóveis, é evidente a necessidade de elevar o valor de tensão que se encontra nos

atuais 14V nos veículos ligeiros e 28V nos pesados. Desta forma, a corrente excede o valor de

segurança, que ronda os 200 A. Em alternativa, foi acordado a nível internacional o uso dos 42 V,

permitindo a utilização de uma potência total que pode chegar aos 9 KW. [7]

Figura 2.3: ISG [8]

Desta maneira, surge uma nova arquitetura que integra o motor de arranque e o alternador

num só componente. Este sistema denomina-se Integrated Starter Generator (ISG). Esta solução

apresenta como vantagem o arranque do motor dentro de 200 ms ao invés dos normais 800 ms, e

facilita a operação de start/stop, uma funcionalidade presente na maioria dos últimos modelos de

automóveis [6].

8 Estado da Arte

Este pode ser acoplado à entrada da transmissão, denominando-se por Cranckshaft Integrated

Starter Generator (C-ISG) como ilustra a figura 2.3, ou simplesmente por uma correia, substi-

tuindo o alternador convencional e tomando a designação de Belt Starter Generator (BSG), apre-

sentado na figura 2.4. [9]

Figura 2.4: ISG acoplado por correia [8]

Esta tecnologia possibilita quatro modos de operação, sendo eles:

• Arranque do motor de combustão;

• Produção de energia para carregar a bateria e alimentar as restantes cargas a 42V;

• Produção de energia durante a travagem: Regenera nas reduções do motor se a tensão da

bateria for inferior a 58V. Caso esta esteja a cima desse valor, entra em modo dissipação de

energia;

• Aumento de binário: Auxilia o motor nas acelerações quando a bateria está carregada.

Este tipo de aplicações recorre a motores trifásicos de corrente alternada. Dentro destes,

consideram-se os motores de indução devido à sua robustez, baixo nível de manutenção e baixa

ondulação de binário; o Motor Síncrono de Ímanes Permanentes (PMSM) por apresentar um ele-

vado nível de eficiência e densidade de potência; e ainda o Motor de Relutância Variável (SRM)

que apresenta bom desempenho a elevadas rotações e uma construção de baixo custo. Por outro

lado, este último possui uma elevada ondulação do binário, vibrações e ruído.

O PMSM mostra-se, atualmente, a máquina que corresponde aos requisitos desta aplicação.

O seu rótor apresenta um campo magnético constante imposto pelos ímanes, sendo atraído ou

repelido pelo estator dependendo da sua posição, causando um binário de rotação. A comutação

da corrente deve estar sincronizada com a posição do mesmo, usando-se geralmente sensores que

se encontram ligados ao inversor que controla a frequência CA.


2.1.3 Recuperação de Energia na Travagem

Como foi referido na secção anterior, o motor elétrico pode ser controlado para operar como

gerador. Assim, quando um veículo está a desacelerar ou a travar, pode converter a energia cinética

em energia elétrica. Esta pode ser armazenada ou alimentar diretamente os sistemas auxiliares do

veículo.

Perceber a energia e a potência de travagem torna-se crucial no dimensionamento da potência

do motor e da capacidade do sistema de armazenamento. Desta forma é possível recuperar uma

elevada percentagem de energia consoante os regimes de condução sem sobredimensionamento

do sistema.

Por conseguinte, a potência nas rodas do veículo pode ser calculada pela seguinte expressão:

P =V

1000

(

Mg fr +12

ρaCDAV 2 +MδdV

dt

)

(kW ) (2.1)

onde M é a massa do veículo, g a aceleração da gravidade, fr o coeficiente de resistência de

rolamento do pneu, ρa a densidade do ar com o valor de 1,205Kg/m3, CD o coeficiente de arrasto

aerodinâmico, A a área frontal do veículo em m2, δ o fator de inércia e v a velocidade do veículo

em m/s.

Quando, a potência, P > 0 o veículo está a tracionar, e quando P < 0 o veículo encontra-se

em desaceleração e a energia cinética é dissipada nas pastilhas e discos de travão. Integrando a

equação 2.1 tem-se nas rodas a energia de tração e de travagem, num determinado tempo, num

ciclo de condução [10].

(a) Estratégia da travagem regenerativa série (b) Estratégia de travagem regenerativa paralela

Figura 2.5: Desempenho da hibridização dos sistemas de travagem [8]

Geralmente, o binário de travagem necessário é maior do que aquele que o motor elétrico

produz, especialmente em veículos pesados. No seguimento, o sistema de travagem mecânico

coexiste com o sistema de travagem elétrico, suavizando-a e reduzindo simultaneamente, a carga

sobre os componentes mecânicos [11].

10 Estado da Arte

Assim, na literatura, devido a hibridização destes dois sistemas, consideram-se duas tipologias

de travagem regenerativa, a paralela e a série [10, 11].

Na travagem paralela, ambos os sistemas funcionam sempre que o pedal de travão é acionado,

contudo, apesar de simples e apresentar baixo custo, não mostra níveis de eficiência significativos.

Para este método, o sistema mecânico sofre pequenas alterações e o algoritmo de controlo para o

motor pode ser facilmente implementado. Sendo os sistemas de travagem um sistema crítico para a

segurança e estabilidade do veículo, esta arquitetura apresenta uma vantagem importante. Em caso

de falha do sistema elétrico, a redundância do sistema é assegurada pelo mecânico convencional

[10, 11].

O sistema de travagem regenerativa série recorre a um motor elétrico e a um controlador. O

controlador é usado para gerir a travagem elétrica, baseada na velocidade da roda, força do pedal

de travão (separado do circuito hidráulico), da condição de carga do sistema de armazenamento e

pelas regras embebidas no controlador. Esta distingue-se por apresentar um nível de eficiência e

complexidade superior à topologia paralela.

Figura 2.6: Esquema da arquitetura de um sistema de travagem regenerativa paralela [7]

2.1.4 Produção Fotovoltaica

O consumo total de combustível pode ser reduzido pela incorporação de sistemas fotovoltaicos

na superfície dos veículos. De facto, a produção fotovoltaica é uma tecnologia conhecida pela

vantagem de ser leve, silenciosa, livre de manutenção e de operar continuamente (até mesmo


quando o automóvel não se encontra em movimento). Desta forma, isto permitirá manter a bateria

carregada mesmo com motor desligado [12].

Alguns construtores de automóveis já começaram a incluir PV nos tejadilhos dos veículos

com uma potência até 130 W. O Toyota Prius é um exemplo de aplicação que utiliza a energia

proveniente das células fotovoltaicas para refrigerar o interior [3].

Na seleção dos PV é necessário ter atenção os seguintes critérios: Ponto de Potência Máxima

(MPP), o valor de Potência Máxima (Pmax), tensão em circuito aberto (Voc), corrente de curto-

circuito (Isc), fator de preenchimento e eficiência do painel.

Figura 2.7: Curva característica corrente-tensão e potência-tensão num PV

Os painéis fotovoltaicos podem ser constituídos por células de silício policristalino (poly-Si),

de silício monocristalino (c-Si) ou silício amorfo (a-Si).

Os desenvolvimentos nesta área têm-se, essencialmente, focado nas tecnologias thin-film que

se traduzem em finas camadas de material semicondutor aplicado sobre um material sólido. Con-

sequentemente, estas células são mais leves e económicas, representando atualmente 15% das

vendas no mercado [3].

Em condições normais, o limite máximo de eficiência para o silício cristalino é cerca de 29%.

De facto, isto é possível em painéis monocristalinos e comercialmente já se encontra no mercado

tecnologias que excedem os 24% de eficiência. Outro aspeto importante é o facto destes disposi-

tivos poderem manter a sua potência de saída elevada durante 25 anos [3].

Para uma aplicação em veículos, a principal vantagem dos PV thin-film é sobretudo o seu baixo

peso, a sua flexibilidade e o baixo custo. Atualmente são desenvolvidas tecnologias nesta área com

folhas de polímeros flexíveis contabilizando já com um recorde de eficiência que marca os 20,4%.

Estas células são baseadas em Cobre Índio Gálio Selenieto (CIGS), um material semicondutor

conhecido pelo seu potencial na razão custo benefício [13]. O seu desempenho com a temperatura

é melhor que as tecnologias de silício cristalino, já que a eficiência do poly-Si cai 0,15%-0,2% poroC, enquanto a do cristalino decresce 0,35-0,4% por oC. Este aspeto é uma vantagem importante,

12 Estado da Arte

uma vez que, a superfície do automóvel em parque pode chegar a uma temperatura de 70oC,

especialmente os de superfície escura. [3]

Tabela 2.1: Eficiência de módulos PV baseados em diferentes tecnologias [14]

Classe dos Painéis Tecnologia EficiênciaSilicio Mono-Cristalino SunPower 22,4 – 23,4

Sanyo Hit 22,3Suntech Pluto Technology 20,3

Plocristalino String Ribbon 16 – 18Emitter Wrap Trhought (EWT) 15

Thin Film Silício amorfo (a-Si) 9,5 – 13,2Copper Indium diSulphide (CIS or GIGS) 16,7 – 19,9Cadmium telluride (CdTe) 15 – 16,5Silício Cristalino em Vidro (GaAS) 8 - 10,4

2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia

Neste subcapítulo serão abordados os sistemas de armazenamento de energia que têm dado

resposta às necessidades dos VP e recentes VP híbridos. Devido às mudanças nos ciclos de con-

dução, causadas pela condução sobre condições de densidade do tráfego, numerosas travagens e

as extensas paragens, têm despoletado a combinação de várias formas de armazenamento para

atingir a solução ideal e mais completa. Assim,o presente subcapítulo será complementado com a

utilização de tabelas que concentram e organizam as tecnologias analisadas de acordo com os seus

critérios relevantes.

2.2.1 Baterias

As baterias são um dispositivo de armazenamento de energia, com uma ou mais células ele-

troquímicas. Estas convertem a energia elétrica em energia potencial química durante a carga, e a

energia química em energia elétrica durante a descarga.

No processo de decisão e escolha de uma bateria é necessário considerar alguns parâmetros,

tais como os que se apresentam seguidamente.

A capacidade é definida pelo número de Amperes-hora (Ah) e, para a mesma bateria pode ter

valores diferentes dependendo das correntes, visto que a mesma é proporcional à taxa da corrente

de descarga. Em regra, os fabricantes especificam o número de Ah juntamente com a taxa de

descarga. Por exemplo, 100 Ah a C/4 significa que tem 100Ah de capacidade durante 4 horas para

uma taxa de descarga a 100/4=25 A. Já a energia armazenada, dada em Watt-hora (Wh) relaciona

a capacidade com a tensão média durante o seu descarregamento [10].

Outro parâmetro importante é o estado de carga da bateria (SOC). Este indica, em percenta-

gem, a relação da carga elétrica que pode ser entregue pela bateria a uma corrente (I), e a capaci-

dade nominal desta. O estado da carga pode ser expresso pela equação 2.2:

2.2 Tecnologias de Armazenamento de Energia 13

SOC = SOC0 −∫

idt

Q(t)(2.2)

onde SOC0 é o estado de carga inicial, e Q(i) é a capacidade da bateria para uma corrente I.

Na descarga, a corrente tem sinal positivo e durante a carga sinal negativo. Assim, o SOC diminui

durante o fornecimento de energia e aumenta com o carregamento da bateria.

Para além dos critérios descritos consideram-se também a energia específica (Wh/Kg), potên-

cia específica (W/Kg), densidade energética (Wh/L), a percentagem de auto descarga, eficiência

de carga, o custo, o risco de impacto ambiental e os ciclos de vida. A energia específica é a relação

entre a energia fornecida pela bateria e o seu peso. A potência específica relaciona a potência com

o peso ou a potência com o volume. O efeito de auto-descarga consiste nas perdas de energia de-

vido às reações internas durante o armazenamento quando o circuito externo está aberto, ou seja,

sem cargas ligadas à saída da bateria.

A bateria de chumbo-ácido é a mais usada nos veículos convencionais. Os camiões geralmente

utilizam este tipo de baterias com um líquido eletrólito que deve ser encimado com água. Neste

tipo de veículos as baterias podem durar 7 anos com 1200 a 1500 ciclos, isto porque a mesma

é descarregada em média 7-8 horas, enquanto nos veículos ligeiros é em 2 horas, reduzindo o

Tabela 2.2: Comparação dos diferentes tipos de baterias [10, 12, 14]

Tipo de Bateria Energia Potência Ciclos Eficiência Auto CustoEspecífica Específica de vida (%) descarga (U$/kWh)(Wh/Kg) (W/kg) (% p/48h)

Bateria Chumbo ÁcidoChumbo ácido 35 180 1000 >80 0,6 60Chumbo ácido avançado 45 250 1500 - - 200Válvula regulada 50 150 700+ - - 150Folha de Metal 30 900 500+ - - -Baterias de NíquelNíquel Ferro 50-60 100-150 2000 75 3 150-200Níquel – zinco 75 170-260 300 76 1,6 100-200Níquel- Cadmio 50-80 200 2000 75 1 250-300Níquel metal hídrico 75-95 200-300 <3000 70 6 200-250Baterias de LítioLítio - sulfureto de ferro 150 300 1000+ 8 - 110Lítio - fosfato de ferro 120 200-4500 >2000 - - 350Iões de Lítio - polímero 130-225 260-450 >1200 - - 150Iões de lítio 118-250 200-430 2000 >95 - 150Lítio - titânio 80-100 4000 18000 - - 2000Lítio - Ar 1800 - - - - -Baterias de Metal-ArAlumínio – ar 220 60 - - - -Zinco – ar 460 80-140 200 60 - 90-120

14 Estado da Arte

número de ciclos de carga/descarga [6].

As baterias de Níquel-cadmio (Ni-Cd) estão a ser substituídas pelas de Níquel-metal-hídrico

(Ni-MH) devido ao perigo que o cadmio representa para o ambiente. Para além disso, as Ni-MH

apresentam maior densidade energética e número de ciclos carga/descarga que as de Ni-Cd e são

compostas por uma boa percentagem de material reciclável.

As baterias baseadas no Lítio são caracterizadas pela sua elevada densidade energética e por

apresentarem maior tensão por célula.

A tabela 2.2 apresenta as tecnologias que se encontram no mercado e as respetivas caracterís-

ticas, onde a energia específica é calculada pela equação 2.3:

Energiaespeci f ica =nFVr

3,6.ΣMi

(Wh/kg) (2.3)

onde n é o número de eletrões transferidos na reação, F = 96,495 é a constante de Faraday, Vr

é a tensão reversível da célula e ΣMi é o somatório do peso molecular das espécies envolvidas nas

reações da bateria [10].

2.2.2 Super Condensadores

Tendo em conta as limitações das baterias, nomeadamente o reduzido número de ciclos de

carga, a baixa densidade de potência e o tempo considerável que demoram até ficar completa-

mente carregadas, os SC ou Ultra Condensadores (UC) são conhecidos pela elevada densidade de

potência, número de ciclos de vida e pelo reduzido tempo de carga. [12]

Os SC apresentam pouca energia específica para serem usados como fonte primária de arma-

zenamento de energia, contudo apresentam uma potência específica que pode atingir os 3kW/Kg.

As vantagens dos SC combinadas com as das baterias podem criar um sistema com elevada

densidade de potência, um elevado número de ciclos de carga/descarga e uma densidade energética

considerável.

Tabela 2.3: Vantagens e desvantagens dos Super Condensadores

VantagensElevada densidade de potênciaMais de 1 milhão de ciclos de carga/descargaCarregamento rápidoElevada eficiênciaAmpla gama de temperatura de funcionamento (-40oC a +65oC)

DesvantagensBaixa densidade energéticaElevado custoElevado fator de auto descargaBaixo valor de tensão por célulaQueda de tensão linear


Um condensador simples é constituído por dois elétrodos com uma determinada área (A),

separados uma distância (d) por um material dielétrico (com determinado coeficiente ε). A sua

capacidade pode ser expressa pela equação 2.4:

C = εA

d(2.4)

e a sua energia pela expressão:

E =12

CV 2 (2.5)

onde V é a tensão entre os elétrodos. As equações clarificam que a densidade de energia é pro-

porcional à área dos elétrodos, e inversa à distância entre estes. Graças aos avanços tecnológicos

é possível reduzir a distância efetiva e criar estruturas com uma grande superfície, resultando num

aumento da capacidade total.

Estes, dependendo da sua estrutura, podem ser divididos em três categorias:

1. Condensadores de dupla camada (ELDC);

2. Condensadores pseudo eletromecânicos (EPC);

3. Super condensadores híbridos.

Tabela 2.4: Características das diferentes categorias dos UC [12]

Ultra Condensador Energia Esp. Potência Esp. Ciclos de Eficiência(Wh/kg) (W/kg) Vida (%)

EDLC 5-7 1-2M 40 anos >95EPC 10-15 1-2M 40 anos >95Condensadores híbridos 10-15 1-2M 40 anos >95

Outro benefício descrito é a facilidade de medir o seu estado de carga (SOC) através da medi-

ção do valor da tensão aos seus terminais. Assim, o SOC pode ser calculado pela equação 2.6:

SoC =ESC

ESCMax=

12 .CTotal.V

2Total

12 .CTotal.V

2TotalMax

(2.6)

16 Estado da Arte

2.2.3 Células de Combustível

Figura 2.8: Diagrama de operação da Célula de Combustível [15]

As células de combustível são dispositivos capazes de converter a energia armazenada no

combustível em energia elétrica. Estas consistem em dois elétrodos e uma membrana que forma

uma câmara de reação com reagentes externos armazenados. O princípio de funcionamento é

semelhante ao das baterias, no entanto, neste caso específico, os elétrodos são continuamente

reabastecidos. Estes podem ser recarregados assegurando a fonte de eletricidade continua durante

um longo período de tempo [10].

Existe vários tipos de células de combustível no mercado, desde células de combustível diretas

do metanol (DMFC), proton exchange membrane fuel cells (PEMFC), com eletrólito alcalino

(AFC), com ácido fosfórico (PAFC) , com carbonato fundido (MCFC) e as com óxido sólido

(SOFC). Todas usam um elemento como combustível e um segundo elemento como oxidante, que

na maioria dos casos é o ar.

Atualmente, as DMFC são usadas em dispositivos portáteis como Tablets, Laptops e PDAs, por

apresentarem baixa temperatura de funcionamento, rápida recarga e maior capacidade energética.

Comparada com as baterias de iões de lítio que possuem uma densidade de 620 Wh/L, o metanol

apresenta 4390 Wh/l [12].

A principal vantagem da célula de combustível (FC) na aplicação aos transportes é a capaci-

dade de funcionar com elevada eficiência, baixo nível de emissões, baixo nível de ruido e pela

simplicidade do sistema. Por este motivo, o autocarro da Mercedes, o Citaro, e o Honda FCX

Clarity já recorrem a esta tecnologia [12].


Tabela 2.5: Tipos de células de combustível [15, 16]

Tipo Célula de Eletrólito Temperatura Potência Eficiência DensidadeCombustível de Func. máxima (%) de

(oC) de saída Potência(KW) (KW/m3)

Eletrólito de Polímero 80 250 40-50 3,8 -6,5membrana polímera Orgânico(PEM)

Alcalinas (AFC) Hidróxido de 150-200 12 50 1Potássio

Ácido fosfórico Ácido fosfórico 150-200 250 40 0,8-1,9(PAFC)

Carbonato Fundido Lítio e Carbonato 650 2MW >50 1,5 – 2,6(MCFC) de sódio ou

potássio

SOFC Óxido sólido 800-1000 1,7MW >50 0,1 -1,5estabilizado

DMFC Membrana de 60-200 1MW 40 0,2 – 0,4polímero sólido

2.2.4 Volantes de Inércia

Esta tecnologia, também conhecida por Flywheel, é um mecanismo que usa um volante de

inércia para armazenar energia cinética (energia rotacional). A energia é transferida para o volante

através da aplicação de um binário, aumentando assim, a sua velocidade de rotação e consequen-

temente, a sua energia armazenada. Esta é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação do

volante [16].

Devido à elevada velocidade de rotação, e para reduzir as perdas aerodinâmicas, o interior da

flywheel encontra-se em vácuo. Para minimizar as perdas por fricção são utilizados anéis magné-

ticos eliminando, desta forma, o contacto.

Atualmente, o motor de ímanes permanentes DC sem escovas (BLDC), devido à sua elevada

eficiência, densidade de potência e pelo facto de não produzir calor, minimizando as perdas nos

enrolamentos, é adotado para a utilização em ambientes de vácuo.

O SRM também é um promissor candidato, devido à sua estrutura simples e eficiência a altas

velocidades, como referido em secções anteriores. Apresentam também uma larga região de ve-

locidades com potência constante. Nesta região, apenas o fluxo de excitação da máquina é que é

variado, sendo o seu controlo facilmente implementado [10].

18 Estado da Arte

Figura 2.9: Esquema da estrutura de um volante de inércia [10]

Este sistema pode atingir 10-150 Wh/kg de energia e 2-10 KW/Kg de potência. Comparado

com o SC, estes tem uma elevada densidade de potência e de energia [12].

Devido à elevada potência que pode ser produzida, este sistema em caso de falha ameaça

provocar graves danos ao veículo. Outro inconveniente prende-se com as forças giroscópicas que

reduzem a manobrabilidade do mesmo [12].

2.2.5 Hibridização de Sistemas de Armazenamento de Energia

A hibridização dos sistemas de armazenamento de energia (HSAE) combina dois ou mais for-

mas de armazenamento, compensando entre si as desvantagens de cada uma. Como referido na

secção 2.2.1 as baterias têm elevada densidade de energia enquanto os SC, em 2.2.2, disponibili-

zam uma elevada densidade de potência. Desta forma, com a combinação de SC e baterias pode

atingir-se níveis de desempenho que não seriam atingidos apenas com uma das soluções.

Nesta secção apresentam-se 7 topologias de HSAE ilustradas na figura 2.10. Nestas, é utilizada

a ligação CC porque a maioria dos componentes são alimentados em CC. Por este motivo, recorre-

se a conversores CC/CC bidirecionais e/ou unidirecionais, controlando assim, a transferência de

energia entre os sistemas.

Na figura 2.10 tem-se:

a) As duas fontes são combinadas sem recorrer a conversores, desde que as duas estejam sem-

pre em paralelo e tenham o mesmo valor da tensão. Apesar de excluir o conversor, esta

limita a potência armazenada pelo SC, não aproveitando na sua totalidade;


(a) (b)

(c)

(d)

(e) (f)

(g)

Figura 2.10: Topologias de Sistemas Híbridos de Armazenamento de Energia[12, 17]

b) A tensão da bateria pode ser mantida acima ou abaixo da tensão do SC, e como este se

encontra ligado diretamente ao barramento CC funciona como um filtro passa baixo, permi-

tindo a variação da tensão do barramento;

c) Recorre a um conversor CC/CC que necessita de ser dimensionado de acordo com a potência

do SC, aumentando o custo e ao mesmo tempo reduzindo o aquecimento das baterias. Uma

20 Estado da Arte

vez que a bateria está diretamente ligada ao barramento, a sua tensão não pode variar, a

eficiência do inversor é maior neste caso porque a tensão entre o conversor e este não varia

com a do SC;

d) O SC descarrega a mesma energia, contudo pode efetua-la a razões de tensão e capacidade

diferentes. A potência do condensador pode ser completamente utilizada, até cerca de 75%

da sua energia;

e) Melhora a gama de funcionamento da bateria e do UC, possibilitando o desacoplamento de

ambas as fontes de energia;

f) Permite o desacoplamento das fontes de armazenamento com maior flexibilidade, estabili-

dade e eficiência. Desta forma, reduz-se o tamanho e o peso do sistema;

g) Esta tipologia assenta em múltiplos conversores isolados. Apresenta uma elevada eficiência

de potência, elevada fiabilidade e longo ciclo de vida de operação. No entanto, apresenta

um contributo significativo para o peso total do sistema.

Pela análise das configurações apresentadas na figura 2.10, pode concluir-se que a estraté-

gia de seleção da tensão está fortemente relacionada com as características da bateria e dos SCs

utilizados.

Se VUC < Vbat =VCC: o pack de baterias está ligado diretamente ao barramento CC e o UC

ligado a este a partir do conversor bidirecional. Esta estratégia utiliza a gama completa do SC,

quando a baixa tensão deste é necessária.

Se Vbat <VUC =VCC: o UC está ligado diretamente ao barramento, enquanto a bateria está ligada

pelo conversor. Neste caso, a tensão da bateria pode ser mantida abaixo da do barramento, e assim

não é necessário uma estratégia de balanceamento.

Se Vbat = VUC = VCC: significa que a bateria e o UC estão ligados em paralelo diretamente ao

barramento. Este arranjo não necessita de um conversor, no entanto a gama de trabalho do UC é

muito limitada.

Se Vbat 6= VUC 6= VCC: a bateria e os UCs são ligados ao barramento através de conversores ou

outros mecanismos [17, 18].

Assim sendo, pode analisar-se uma estimativa do peso total resultante da hibridização do sis-

tema de armazenamento, na tabela 2.6.

Tabela 2.6: Estimativa de pesos do HSAE

Chumbo/Ácido Ni-Cd Ni-MH Li-IPotência Específica (W/Kg) 378,5 581,4 703 1222Energia Específica (Wh/Kg) 26,5 40,7 49,2 85,5Peso da Bateria (Kg) 116 68 54 35Peso Do UC (Kg) 16,5 16,7 16,9 6,05Peso Total (Kg) 132 86 71 41

2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo 21

2.3 Conversão de Potência e Estratégias de Controlo

Esta secção apresentará as topologias de conversão implementadas nos veículos elétricos, para

combinarem as diferentes fontes de energia (secção 2.1). Serão abordados o conversor CC/CC

bidirecional e unidirecional, e os inversores CA/CC e CC/CA. Para além das tipologias, serão

apresentadas as estratégias de controlo dos respetivos.

2.3.1 Conversores

Os conversores CC/CC fazem a interface e o controlo do fluxo de potência entre dois sistemas

CC. A sua função é semelhante à dos transformadores em sistemas CA. Dependendo da direção da

corrente e da tensão de saída, os conversores podem ser classificados em unidirecional, permitindo

o fluxo de potência apenas num sentido, ou bidireccional possibilitando o fluxo de potência nos

dois sentidos [19].

Os conversores não isolados são, geralmente, usados em baixas relações de elevação ou dimi-

nuição do valor da tensão e quando não existe problemas com a entrada e a saída do conversor.

Por outro lado, os conversores isolados usam um transformador de alta frequência, garantindo o

isolamento completo da entrada e, apresentam uma razão de conversão elevada [20].

No projeto de um conversor para aplicações automóveis é essencial ter em consideração o

peso, a eficiência, o volume, interferência eletromagnética, ondulação da corrente e o fluxo de

potência sujeito a uma variação considerável da tensão [20].

As perdas consideradas num conversor são produzidas pelos semicondutores (IGBTs ou MOS-

FETs e diodos) e pelos componentes passivos (condensadores e bobinas). Posto isto, a eficiência

pode ser calculada pelas equações 2.8 e 2.7:

ΣP = pIGBT.cond + pIGBT.comut + pDiodo.cond + pDiodo.comut + pCondensador (2.7)

η =Pentrada −Σp

Pentrada

(2.8)

O conversor de meia ponte, figura2.11a, apresenta uma eficiência entre os 92% e 94% e tem

como vantagem o reduzido número de semicondutores, sujeitos a baixa tensão. Tem como des-

vantagens o facto dos interruptores comandados serem percorridos pela corrente duas vezes e

necessitarem de uma razão elevada de transformação, o que requer um condensador considerável

para eliminar a saturação do transformador [15].

Comparativamente, o conversor de ponte completa, figura2.11b, apesar de apresentar um

maior número de dispositivos e um controlo mais complexo, estes são percorridos por uma cor-

rente mais baixa, possibilitando uma comutação suave com baixa ondulação da corrente, contri-

buindo para uma eficiência na ordem dos 95% [15].

22 Estado da Arte

(a) Conversor CC/CC meia-ponte (b) b) Conversor CC/CC ponte completa

(c) Conversor CC/CC split-pi

(d) Conversor CC/CC multinível

Figura 2.11: Conversores CC/CC[12, 15]

O split-pi é uma tipologia de um conversor CC/CC bidirecional com uma eficiência acima

dos 97% constituído por componentes passivos de tamanho reduzido, baixo ruido de comutação e

conteúdo harmónico devido à forma de onda da corrente triangular [20].

Os conversores bidirecionais multinível, figura2.11d, apesar de não recorrerem a componentes

magnéticos (bobines) possuem elevada densidade de potência, baixa interferência eletromagnética

e uma eficiência de 98%, tamanho e peso reduzidos [20].

Figura 2.12: Unidades básicas usadas para construir conversores multiporto bidirecionais [21]

Pela lei da conservação de energia, equação 2.9, a potência fornecida deve ser igual ao total

da potência consumida pelas fontes, independentemente das perdas do sistema.


Parmazenada = −(

∑Pgerada −∑Pconsumida

)

(2.9)

Os conversores multiporto são potencialmente interessantes em aplicações de geração e ar-

mazenamento de energia que recorram a múltiplas fontes. A topologia mostra flexibilidade para

incorporar diversas entradas, por exemplo, FC, baterias, SC, PV, turbinas eólicas e cargas genéri-

cas.

A partir das células básicas de conversores apresentadas na figura 2.12 é possível ligar as

diferentes fontes a um barramento CC e controlá-las de forma independente, gerindo o fluxo de

potência no barramento [21].

(a) Estrutura convencional (b) Estrutura multiporto

Figura 2.13: Esquema da estrutura convencional e estrutura multiporto

O sistema de controlo do conversor multiporto apresenta uma situação multi-input multi-output

(MIMO) onde objetivo do sistema é estabelecer o fluxo constante de potência das fontes de energia

enquanto a carga varia. Estes podem ser estabelecidos pela tensão de saída, pela corrente ou

potência das fontes.

Desta forma, a estrutura multiporto apresenta vantagens relativamente à estrutura convencional

em termos do número de dispositivos de potência, graus de conversão e eficiência. Contudo,

no ponto de vista do controlo e do desenho do sistema o conversor multiporto mostra-se mais

complexo e ambicioso [22]. Na tabela 2.7, apresenta-se a comparação entre as duas estruturas.

Tabela 2.7: Comparação entre a estrutura convencional e multiporto [22]

Estrutura convencional Estrutura multiportoNecessita de um barramentoCC comum Sim NãoEtapas de conversão >1 minimisadoEsquema de controlo controlo disperso controlo centralizadoGestão do fluxo de potência complicado e lento simples e rápidoTransformador vários único com

múltiplos enrolamentosEsforço de implementação elevado baixo

24 Estado da Arte

2.3.2 Inversores

Os inversores CA/CC são amplamente usados, desde drivers corrente alternada (CA), fontes

de potência CC e equipamento de compensação harmónica. Como foi mencionada secção 2.1.1

deste capítulo, os alternadores recorriam a díodos de potência para efetuarem a retificação da

corrente CA para CC. Contudo, os díodos apenas permitem o fluxo unidirecional de potência e são

responsáveis pelo alto nível de harmónicos na corrente de entrada. Os inversores trifásicos apesar

de apresentarem uma modelação complexa, possuem baixa distorção harmónica, possibilitam uma

regulação do fator de potência de entrada e uma redução no tamanho do condensador do filtro CC

em certas aplicações [19], apresentando assim, uma eficiência cerca de 98%.

(a) Inversor trifásico (b) Inversor trifásico com conversor CC/CC bidireci-onal

(c) Inversor trifásico fonte Z bidirecional (d) Inversor trifásico fonte Z unidirecional

Figura 2.14: Topologias de Inversores[23]

As topologias básicas de inversores apresentadas na figura 2.14 são usadas nos veículos elé-

tricos (VE) e nos veículos híbridos (VEH). A topologia apresentada em 2.14a serve de base para

as restantes, variando conforme o âmbito da aplicação.

Normalmente recorre-se à configuração em 2.14b quando existe um transito de potência nas

duas direções. Assim, durante o regime de tração o conversor opera como elevador da tensão, de

outro modo é possível baixar a tensão, quando o motor opera como gerador, durante as travagens

e desacelerações.

Uma fonte Z, conhecida como Z-Source, pode ser aplicada a todo tipo de conversores (CC/CC,

CC/CA e CA/CA) aumentando o desempenho, diminuindo o número de componentes, contri-

buindo, desta forma, para o aumento do rendimento e redução do custo. Pode ser utilizada em FC

e PV que são fontes unidirecionais [12, 23].


2.3.3 Estratégias de Controlo

O controlo dos conversores é efetuado através da modelação dos sinais para os semicondutores

que o constituem. A técnica de modelação da onda quadrada, conhecida na literatura inglesa por

Pulse width modulation (PWM) determina o tempo e a ordem de comutação de cada interruptor,

contribuindo para a eficiência e qualidade da corrente de saída do mesmo [19].

No controlo de baixa precisão de motores, a intervenção passa pela frequência de alimentação

do motor que controla o fluxo e, por sua vez, a velocidade da máquina. Para a mesma tensão,

quando a frequência aumenta, o fluxo diminui e o binário desenvolvido pelo motor também. Ao

contrário, o fluxo e, consequentemente, o binário aumentam [19].

Desta forma, através do inversor trifásico apresentado na secção anterior é possível controlar

a magnitude, frequência e a fase da corrente do estator nos motores CA. Nestes motores, tais

como o motor de indução, PMSM, o SRM, o controlo vetorial é geralmente utilizado nos drivers

industriais e nos veículos elétricos, especialmente por contribuir para o aumento do desempenho

do controlo e do driver [20].

O binário mecânico produzido por um PMSM pode ser traduzido pela fórmula 2.10:

T =32

P[λ iq+(Ld −Lq)idiq] (2.10)

Será mais fácil estudar a corrente no estator através de um vetor em dois eixos invariantes

no tempo e no espaço. Controlando o corrente id e iq do motor, consegue-se controlar o binário

produzido no veio, daí passando do sistema de três eixos (a,b,c) para dois eixos (d,q) facilitando,

deste modo, a análise das correntes.

Figura 2.15: Comparação do controlo PWM e SVM

26 Estado da Arte

A modelação vetorial, conhecida por Space Vector Modulation (SVM) destaca-se pela possi-

bilidade de utilização em motores com ligação em estrela sem neutro, devido ao equilíbrio das

fases e circulação do conteúdo harmónico sem sobreaquecer os enrolamentos da máquina [20].

O princípio do SVM trata a tensão como um vetor de amplitude constante e rotação a frequên-

cia constante.

Em suma, esta técnica apresenta a vantagem de gerar baixo contudo harmónico das correntes

de cada enrolamento das 3 fases do motor. Em comparação com a modelação PWM apresenta

maior aproveitamento da fonte de tensão, como é ilustrado na figura 2.15. Consegue disponibilizar

à saída uma tensão até 2/3 VCC enquanto o PWM disponibiliza 1/2 VCC.

2.3.4 Plataformas de Controlo

Usualmente, para aplicações de controlo com algoritmos complexos, recorre-se a plataformas

como a DSP (Digital Signal Processor), que são processadores com enorme capacidade de proces-

samento desenvolvidos especialmente para aplicações com convolução de sinal e transformadas

de Fourier, por exemplo. Outra plataforma largamente utilizada são os microprocessadores, que

atualmente apresentam capacidades de processamento na ordem das centenas de MHz.

Em complemento, as Field Programmable Gate Array (FPGAs) são os dispositivos de lógica

programável mais versáteis e complexos da atualidade. Além disso, possuem um grande número

de portas lógicas, flip-flops e elementos de memória. Enquanto os microprocessadores executam

programas, estas devem ser vistas como circuitos modelares e configuráveis, com elevada veloci-

dade de processamento [20, 24].

Figura 2.16: Diagrama de blocos de uma célula lógica numa FPGA

A arquitetura geral de uma FPGA está dividida em blocos funcionais, nomeadamente, blocos

lógicos, de E/S (entradas/saídas), de computação, de memória e blocos de relógio. Em conjunto

com estes blocos funcionais gerais, pode ter ainda blocos do tipo processador, memória flash e

periféricos, tais como controladores ethernet, controladores de memória, conversores A/D (analó-

gico/digital) e comunicações série para SPI e I2C. As ligações entre os blocos são configuráveis o

que faz desta tecnologia um sistema versátil e cada vez mais complexo [24, 25].


Os blocos de relógio podem ser programados para gerarem frequências diferentes, baseadas no

mesmo sinal de relógio, atingindo a gama dos GHz. Isto permite o funcionamento de subsistemas

em paralelo a velocidades diferentes.

28 Estado da Arte

Capítulo 3

Análise e Projeto do Sistema

Neste capítulo será apresentada a análise efetuada a um VP, nomeadamente, um camião rígido

DAF FA CF 75.310 com caixa frigorífica, duplo-deck e plataforma elevatória traseira. Esta análise

teve suporte nos dados de operação da viatura, disponibilizados pela empresa proprietária. Desta

forma, serão apresentadas as conclusões do estudo do desempenho do veículo nos diferentes ciclos

de condução, durante um mês (Novembro de 2012).

Tendo por base os resultados, procedeu-se ao dimensionamento dos subsistemas, projetando

o sistema com o objetivo de suprir as necessidades e assim cumprir os requisitos enumerados na

secção 3.4.2.

3.1 Análise da Dinâmica do Veículo

O desempenho de um veículo terrestre refere-se à capacidade de acelerar, desacelerar e respon-

der às variações das condições do percurso. Os esforços de tração e/ou travagem transmitidos aos

pneus, e as forças resistivas que atuam no camião influenciam o seu desempenho e serão discutidas

e demonstradas nesta secção.

3.1.1 Modelo de forças

Na avaliação do comportamento da viatura, o esforço máximo de tração que o veículo tem que

desenvolver deve ser determinado. Identificam-se dois fatores que condicionam este esforço: um

determinado pela força da gravidade e do vento, coeficiente de aderência ao piso e inércia; outro

pelas características da arquitetura da transmissão e cadeia de potência do VP. No caso de um

camião trator-semi-reboque, como o eixo frontal do trator é que conduz o conjunto, no cálculo da

força de tração será necessário considerar o trator e o semi-reboque separadamente [26].

As forças que atuam no veículo estão representadas na figura 3.1, e podem ser descritas pelas

equações apresentadas de seguida.

fvento =12

ρarCarrastoA f rontal(vcamiao + vvento)2 (3.1)

29

30 Análise e Projeto do Sistema

Figura 3.1: Diagrama de forças que atuam no veículo

onde ρar é a densidade da massa de ar, Carrasto é o coeficiente de resistência/arrasto aerodinâ-

mico (tabela 3.1), A f rontal área frontal do veículo, que é a projeção da área do veículo na direção

da viagem, e por fim a soma quadrática da velocidade do camião (vcamiao) com a velocidade do

vento (vvento), que representa a velocidade do veículo relativa ao vento.

Tabela 3.1: Valores do coeficiente de resistência aerodinâmica para os vários tipos de veículos[26]

Coeficiente de arrasto aerodinâmicoTipo de veículo Carrasto

Veículo ligeiro 0.3-0.52Carrinhas de transporte 0.4-0.58Autocarros 0.5-0.8Trator - semi reboque 0.64-1.1Camião - reboque 0.74-1.0

A resistência aerodinâmica é gerada pelo fluxo de ar no chassi do veículo e pelo fluxo de ar que

atravessa o radiador e o interior do camião para fins de arrefecimento e ventilação do motor. De

notar que esta é proporcional ao quadrado da velocidade da viatura, o que requer que a potência

aumente com o cubo da velocidade, para superar o aumento da resistência aerodinâmica [10, 26].

Desta forma, o esforço pelo projeto de chassis aerodinâmicos implica uma redução do coe-

ficiente de arrasto aerodinâmico, reduzindo consequentemente as necessidades de potência e os

consumos de energia.

fg = Mcamiaogsin(α) (3.2)

fn = Mcamiaogcos(α) (3.3)

A força gravitacional ( fg) e a força normal ( fn) dependem da aceleração da gravidade (g), que

3.1 Análise da Dinâmica do Veículo 31

assume o valor de 9.81m/s2, da massa do veículo (Mcamiao) e do ângulo da superfície de rodagem,

pelo qual se determina a inclinação do percurso.

Crr = 0.01

(

1+3.6100

vcamiao

)

(3.4)

frr = fnCrr (3.5)

O coeficiente de resistência ao rolamento (Crr) compreende o material, estrutura, tempera-

tura e pressão do pneu; a geometria, rugosidade e material da estrada; contando ainda com a

presença/ausência de líquidos na via. Os valores típicos do coeficiente de resistência são apresen-

tados na tabela 3.2.

Tabela 3.2: Coeficientes de resistência ao rolamento [10]

Condições Coeficiente de resistência ao rolamentoCarro em estrada de asfalto 0.013Carro em estrada de cascalho 0.02Estrada não asfaltada 0.05Campo 0.1-0.35Camião numa estrada asfaltada 0.006-0.01Roda num caminho de ferro 0.001-0.002

Neste caso, é suficiente considerar o Crr como uma função linear com a velocidade (equação

3.4) [10, 20].

A força inercial pode ser expressa pela equação 3.6.

fI = Mcamiao

∂

∂ (t)vcamiao (3.6)

Considerando as equações apresentadas anteriormente obtém-se a força total ( ft) no veículo,

traduzida pela expressão 3.7.

ft = fI + fg + sign(vcamiao) frr + sign(vcamiao + vvento) fvento (3.7)

3.1.2 Transmissão

Pela figura 3.2 o cálculo do binário de tração (τt), do binário em cada roda (τroda), velocidade

angular na roda (ωroda), e a potência de tração (Pt) podem ser demonstradas pelas equações que se

apresentam seguidamente.

τt = ftrroda (3.8)

onde rroda é o raio da roda, que considera a distância desde o centro até à superfície do pneu.


Figura 3.2: Arquitetura da transmissão do veículo

τ =τt

2(3.9)

ωroda =υcamiao

rroda

(3.10)

Pt = ftυcamiao (3.11)

Percorrendo a cadeia de transmissão, das rodas até ao motor, o grupo cónico representado na

figura 3.2 incorpora o diferencial, responsável pela distribuição de binário aos dois semi-eixos, e

estabelece ao mesmo tempo uma relação de transmissão. Isto significa que o binário e a velocidade

angular em cada roda é diferente do binário e velocidade do veio de transmissão.

Desta forma, é necessário considerar as perdas mecânicas na transmissão, assumindo um ren-

dimento ηtrans=0,95. O binário produzido pelo veio (τs), a velocidade angular (ωroda) e a potência

(Ps) podem ser calculados pelas equações seguintes:

τs = ηtrans

τt

G, Pt < 0 τs =

τt

ηtransG, Pt ≥ 0 (3.12)

onde G é a relação de transmissão do diferencial,

ωs = Gωroda (3.13)

Ps = τsωs (3.14)

Conhecer as características reais do veículo é fundamental para atingir resultados precisos

3.2 Análise dos Ciclos de Condução 33

que suportem o projeto com um bom nível de confiança. Desta forma, a tabela 3.3 apresenta as

especificações do veículo e os parâmetros que possibilitam estabelecer as equações apresentadas

anteriormente.

Tabela 3.3: Especificações consideradas no cálculo das expressões (dados retirados da folha deespecificações do veículo)

Especificações do camião DAF FA CF75.310Potência (kW (hp)/rpm) 228 (310)/2200Binário (Nm/rpm) 1275/1100-1700Peso (kg) 19000Raio da roda (mm) 571.5Relação do diferencial 5.13Rendimento transmissão 0.9Área frontal (m2) 5.989Carrasto 0.6Crr 0.01

3.2 Análise dos Ciclos de Condução

Conhecidas as equações relevantes que descrevem o movimento do veículo, a interpretação do

tipo de percurso e operação a que este se destina é essencial para o projeto da arquitetura e cadeia

de potência do mesmo. Aspetos como a densidade do tráfego, variações da inclinação do percurso,

condições do piso, temperatura, distâncias e tipo de mercadoria a transportar são tidos em conta

na conceção do veículo. Pelo mesmo motivo, um veículo de longo curso possui características

diferentes de um destinado à distribuição urbana.

A monitorização destes parâmetros permite aproximar o dimensionamento dos subsistemas

às necessidades e requisitos impostos pela atividade a que se destina o VP, reduzindo o fator de

sobredimensionamento, otimizando assim os recursos. Tipicamente, as empresas de transportes

monitorizam as variáveis relevantes nesta análise e a tabela A.1, em anexo, resume os dados

analisados do camião em estudo. Esta encontra-se resumida no diagrama da figura 3.3.

A partir do diagrama da figura 3.3 compreende-se o comportamento do camião durante um

mês (Novembro 2012). Retira-se a informação de que no total dos 30 dias de operação a viatura

encontrou-se 83% do tempo estacionada, ou seja, com o travão de parque ativo, em situações tais

como cargas/descargas, repouso do condutor e paragens de fim de semana.

Durante o tempo de funcionamento, o motor trabalhou 95% desse período, cerca de 82% desse

tempo o veículo esteve em marcha e os restantes 18% encontrou-se ao ralenti.

Um aspeto importante para compreender o perfil e os requisitos do percurso é a relação entre o

número de atuações do travão e o número de atuações do acelerador. De forma pormenorizada, as

necessidades de travagem representam 55% das acelerações, e dentro destes números as variações

bruscas não atingem 0.7%, o que significa que a condução é cuidada, sem alterações bruscas de

estado.


Tempo Estacionado

Tempo parado

Tempo de Funcionamento

Tempo de Func. do motor

Tempo em marcha

Tempo ao relanti e tempo condução Cruise Control

Tempo em marcha de inércia --- > 535 km

--- > 113 L

--- > 4416 km

--- > 1169 L | 27 L/100km | 42 km/h vel.media

720 horas = 30 dias0

Figura 3.3: Diagrama do ciclo de condução

Durante o tempo da marcha, o camião percorreu cerca de 12% do percurso em marcha de

inércia, um indicador relevante que relaciona as necessidades de potência com as variações ins-

tantâneas do consumo.

Nesta análise, e indo de encontro à motivação desta dissertação, é importante encontrar a pe-

gada ecológica dos 4416 km percorridos pelo veículo, que toma valores de 322kg de CO2 emitidos

para a atmosfera. Este valor foi calculado com base na calculadora disponibilizada no sitio web

Tabela 3.4: Resumo dos valores das forças e binários

Valor mínimo Valor médio Valor máximoInclinação (graus) -20.70 0.003 20.37Aceleração (m/s2) -5.30 0.01 2.27Velocidade veículo (km/h) 0.00 37.10 95Velocidade angular da roda (rad/s) 0.00 6.50 46.20Crr 0.01 0.011 0.02fvento (N) 65.40 294.80 2200fq (N) -65982 9.3 64863fn (N) 174320 186370 186390frr (N) 1743 2114 3634fI (N) -100614 244 43120ftotal (N) -100549 1476,4 67985Eixo de rodagemBinário eixo (Nm) -57463 843 38853Binário na roda (Nm) -28731 421 19426Potência (kW) -530,10 18.90 670,80Veio de transmissãoVelocidade angular (rad/s) 0 33,6 236,9Rpm 0 883 2263Binário (Nm) -12446 185 8415Potência (kW) -477 21,30 745

3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas 35

do fabricante do camião [27].

Do ponto de vista da análise económica, tendo em conta o preço do gasóleo a 1.35 e/L, o

consumo de 1169 litros representou um custo de 1578eem combustível, afetando diretamente o

preço dos produtos transportados.

O tratamento dos dados, com recurso ao Excell R©, possibilitou calcular e conhecer durante

os 26 dias efetivos de operação (excluí-se os domingos) o valor das forças a que o veículo esteve

sujeito. No quadro 3.4 apresenta-se o resumo dos valores calculados. Esta tabela resume a variação

da potência, das forças externas, do binário e da velocidade ao longo do percurso, quer na roda,

quer no veio de transmissão, contemplando as perdas na cadeia de transmissão. A partir da análise

exaustiva destas variáveis, cuja leitura é apresentada na próxima secção com recurso aos gráficos

de relação, é possível projetar e dimensionar os subsistemas a incorporar no veículo com vista à

redução dos consumos e emissões de CO2.

3.3 Análise e Dimensionamento dos Subsistemas

Um veículo pesado possui um conjunto de sistemas que suportam o objetivo principal, o trans-

porte rápido e seguro de pessoas e mercadorias. Os equipamentos base, tais como, alternador,

bomba de água, bombas de óleo, ventoinha de refrigeração, compressor, compressor do ar condi-

cionado e a bomba de direção assistida, figura 3.4a, são comuns na maioria dos VP.

Ao mesmo tempo, a estrutura do veículo está preparada para integrar novos subsistemas con-

soante o sector de atividade a que se destina. Destes subsistemas, referem-se betoneiras, plata-

formas elevatórias, gruas e sistemas basculantes, sistemas frigoríficos, plataformas para recolha

de resíduos urbanos, entre outros. Ao longo desta dissertação, estes sistemas são designados por

unidades/sistemas auxiliares.

Pela análise da figura 3.4b verifica-se que nos veículos automóveis, tal como nos pesados,

atualmente a principal fonte de energia é o combustível armazenado no depósito. Isto significa que

(a) Resumo da potência consumida pe-las unidades auxiliares num VP (motor às1400 rpm) [2]

(b) Fluxo de energia tipico de um motor de combustão interna(ICE) convencional [12]

Figura 3.4: Visão geral dos consumos de potência e energia nos veículos


as necessidades energéticas na maioria dos veículos são suportadas unicamente pela transformação

desse combustível em energia.

Desta forma, a redução do consumo de combustível passa também pela melhoria do controlo

e otimização das unidades auxiliares.

A maioria destes sistemas auxiliares são acionados pelo motor, e o seu regime de funciona-

mento está limitado pela relação fixa de velocidades estabelecida. Esta limitação mecânica resulta

em perdas de energia associadas à ausência de flexibilidade e adaptação dos modos de operação

destes subsistemas às necessidades.

Por conseguinte, descentralizar a alimentação destas unidades, diversificando o tipo de fontes

de energia, e atingir o controlo total das cargas auxiliares reduz a dependência e a necessidade de

funcionamento do motor a combustão.

Figura 3.5: Potência ao longo do percurso

No gráfico da figura 3.5 está representada a variação da potência, apenas do veio de trans-

missão, ao longo do período de análise. Apesar desta representar a maior fatia dos consumos

energéticos, a intervenção na cadeia de transmissão para aproveitamento energético não é a única

solução para obter ganhos energéticos significativos.

3.3.1 Unidade auxiliar - Sistema frigorífico

Alguns camiões, em particular o que é objeto deste estudo, têm a particularidade de possuir

uma carroçaria refrigerada por um sistema frigorifico da Carrier R©, nomeadamente o modelo

Supra 950 Mt. A carroçaria tem dois compartimentos com controlo de temperatura independente.

Este subsistema é autónomo e independente do funcionamento do motor do veículo, isto porque,

estando em parque com o motor desligado, a carroçaria necessita de manter a temperatura dentro

dos parâmetros impostos pela mercadoria transportada. Desta forma, o sistema é ativado com o

propósito de manter temperatura pretendida durante o transporte.


Esta autonomia e isolamento é assegurado por um motor a diesel dedicado ao acionamento do

compressor do refrigerador, em detalhe na figura 3.6. Normalmente, este é alimentado a partir de

um depósito de combustível auxiliar com capacidade na ordem dos 130 litros de gasóleo.

Motor Stand By

Compressor

Motor, CT3.69TV

Figura 3.6: Esquema do sistema frigorifico Carrier R© Supra 950 Mt (imagem adaptada a partir dafolha de especificações)

Este sistema possui um motor de indução trifásico coma potência de 9 kW, identificado na

figura como motor Stand-by. Este é útil em situações de paragem, sempre que existe uma to-

mada trifásica disponível. Desta maneira, é possível eliminar as emissões de gases de escape e o

ruido durante operações de carga/descarga dentro de empresas ou zonas urbanas. Aplica-se tam-

bém em situações de estacionamento, poupando combustível e mantendo-se assim, a mercadoria

acondicionada.

Pelo registo de dados apresentados na tabela ?? compreender-se o comportamento e a ativi-

dade deste subsistema.

Os dados do veículo em estudo apontam para um consumo de 3,69 litros/hora útil de funcio-

namento, dependendo da temperatura exterior e do número de abertura das portas. Posto isto, não

existe a possibilidade de identificar com precisão os consumos energéticos deste sistema nem o

seu fator de serviço.

Visto que registou um tempo de funcionamento superior ao tempo de funcionamento do motor

a combustão, mas inferior às horas totais analisadas durante o mês de Novembro, para efeitos de


Tabela 3.5: Dados de funcionamento do sistema frigorifico

Mês Horas de frio Horas totaisMarço/2012 - 5630Abril/2012 133 5763Maio/2012 102 5865Agosto/2012 274 6139Setembro/2012 326 6465Outubro/2012 155 6620Novembro/2012 144 6764

Média horas/mês Média litros/mês126 465

estudo e análise, assumiu-se uma potência constante de 6 kW.

3.3.2 Subsistemas de Produção de Energia Elétrica

A partir da análise da dinâmica do veículo, secção 3.1, paralelamente com o estudo do ciclo de

operações do mesmo, secção 3.2, é possível identificar as formas de produção de energia elétrica

adequadas ao veículo em causa.

Tendo como ponto de partida os cálculos da potência, conhecer a energia envolvida é um

indicador importante para o dimensionamento dos sistemas de produção e armazenamento dessa

energia. Neste sentido, calculou-se a energia a partir da equação 3.15.

Energia =∫

Potencia dt (3.15)

Desta forma, estende-se a análise até atingir os dados e as relações que suportem o desenho da

arquitetura e as escolhas dos componentes associados.

3.3.2.1 Travagem regenerativa

Como foi referido na secção 2.1.3 quando a potência é positiva o veículo está a tracionar,

quando a potência é negativa significa que está a desacelerar ou a travar. Do ponto de vista da

análise, mostra-se essencial a partir do gráfico da figura 3.5 retirar a relação entre a energia de

travagem e energia de tração.

A figura 3.7 mostra que o total da energia de travagem nos percursos efetuados durante o

mês de Novembro representa cerca de 11% do total da energia de tração. Este valor varia com

as condições do percurso, pois em situações com maior densidade de tráfego este valor tende a

aumentar.

Por outro lado, representa cerca de 32% da energia total consumida pelo sistema frigorífico,

figura 3.8 . Este torna-se, indubitavelmente, um indicador relevante, pois tendo em conta os resul-

tados, alimentar esta unidade auxiliar a partir da energia de travagem em vez de tracionar o veículo


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200

En

erg

ia K

Wh

Energia de tração vs Energia de travagem

Energia de Tração (2685 kWh) Energia travagem (306 kWh)

Figura 3.7: Relação da energia de tração com a energia de travagem

representará ganhos significativos, reduzindo também o seu risco e grau de complexidade ao nível

do controlo e implementação.

A relação da energia de travagem com a velocidade é uma informação útil para o controlo e

o dimensionamento de um sistema de travagem regenerativa. Identificar a gama de velocidades

onde a maioria da energia é dissipada revela-se crucial para otimizar o funcionamento do motor

elétrico como gerador, de maneira a que este opere na região de maior rendimento. Noutra gama,

a travagem regenerativa pode ser ignorada sem comprometer a recuperação de energia.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200

En

erg

ia K

Wh

Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico

Energia de tragagem (306 kWh) Energia do Sist. Frigorifico (968 kWh)

Figura 3.8: Relação da energia de travagem com a energia consumida pelo Sistema frigorifico

O gráfico da figura 3.9 representa a distribuição da energia pela velocidade durante o ciclo de

condução, cujos parâmetros estão apresentados na tabela 3.4. Este, mostra que para velocidades

abaixo dos 15 km/h a energia recuperada é insignificante, tal se depreende que para obter uma

operação do motor elétrico com elevado grau de eficiência poderá desprezar-se as velocidades

abaixo deste valor, prevalecendo a travagem mecânica neste intervalo.

Outro fator importante é a comparação da energia de travagem com a potência de travagem.

Compreender esta relação é essencial no dimensionamento da potência do motor elétrico e da


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

En

erg

ia t

rav

ag

em (

kW

h)

Velocidade do camião (km/h)

Energia de travagem vs Velocidade

Figura 3.9: Relação da energia da energia de travagem com a velocidade do camião

capacidade do armazenamento de energia, de modo a que sejam capazes de recuperar e armazenar

o máximo de energia sem sobredimensionamento do sistema.

O gráfico da figura 3.10 mostra que cerca de 90% da energia total é dissipada abaixo dos

100kW. Este dado é um bom indicador para a escolha da potência do motor elétrico. Caso este

tenha uma potência de 100 kw será capaz de recuperar cerca de 90% da energia de travagem que

é dissipada.

0

50

100

150

200

250

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Pote

nci

a d

e tr

av

ag

em (

kW

)

Energia de travagem (kWh)

Potência de travagem vs Energia de travagem

Figura 3.10: Distribuição da potência pela energia de travagem

Outra consideração chave é a característica da potência de travagem em relação à velocidade

do veículo. Esta análise permite traçar o perfil de velocidades do motor elétrico. Pela análise

do gráfico da figura 3.11, constata-se que para potências acima dos 50kW este intervalo de ve-

locidades é reduzido para 20-90 km/h. Este dado reforça as conclusões retiradas do gráfico que

relacionava a energia com a velocidade, figura 3.9.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250

Vel

oci

da

de

(km

/h)

Potencia (kW)

Potência de travagem vs Velocidade

Figura 3.11: Distribuição da potência de travagem pela gama de velocidades

3.3.2.2 Produção fotovoltaica

A partir da figura 3.3 na secção 3.2 concluiu-se que o veículo encontrou–se estacionado cerca

de 83% do tempo. Depreende-se então, que não é possível produzir ou recuperar energia através

da técnica apresentada anteriormente, durante esse período, dado que o veículo não se encontra

em movimento.

Figura 3.12: Planta da DAF FA CF75 (valores apresentados em milímetros)

Uma particularidade dos VP, e também dos reboques, é o seu tamanho e a área da superfície

associada. Isto traduz-se num potencial significativo de aproveitamento energético a partir da ins-

talação de painéis fotovoltaicos. Assim sendo, parte-se para avaliação da superfície da carroçaria.

O veículo em estudo apresenta as dimensões enunciadas na figura 3.12, tendo como largura 2490

mm.

Estas dimensões mostram-se uma limitação na escolha dos painéis disponíveis no mercado.

Uma vez que se pretende atingir o máximo de potência instalada para a área de 20,5m2 (8,250m


x 2,490m ), respeitando os limites, as dimensões juntamente com a potência W p são critérios

relevantes na escolha do painel.

Foram avaliadas soluções de diversos fabricantes, inclusive a tecnologia thin-film. O painel

selecionado é o E19/245W p do fabricante americano Sunpower R©. Este possui uma eficiência

anunciada na ordem dos 19% e as características mecânicas suportam as condições da aplicação.

As suas dimensões, 798mm x 1559mm, possibilitam a instalação de 15 painéis, maximizando a

potência instalada para o valor de 3,7 kW .

Para quantificar o aproveitamento energético da superfície do veículo, recorreu-se ao software

Canadiano de análise de projetos de energia limpa, o RET ScreenInternational R©.

A partir deste obteve-se os valores da radiação solar diária horizontal (kWh/m2/dia), para

uma inclinação de 0o e a energia produzida (kWh) a partir deste conjunto de painéis. Os resultados

podem ser consultados na tabela 3.6.

Tabela 3.6: Radiação solar e energia produzida a partir dos painéis fotovoltaicos

Radiação solar diária - Radiação solar EnergiaMês horizontal diária - inclinada produzida (kWh)

(kWh/m2/dia) (kWh/m2/dia)

Janeiro 1,82 1,82 161Fevereiro 2,57 2,57 204Março 3,93 3,93 337Abril 5,21 5,21 427Maio 6,22 6,22 518Junho 6,86 6,86 544Julho 6,93 6,93 564Agosto 6,23 6,23 509Setembro 4,74 4,74 381Outubro 3,16 3,16 269Novembro 2,12 2,12 179Dezembro 1,64 1,64 145

Total 4238

Considerando o aproveitamento da energia do sol, consegue-se um aumento de 6% da energia

recuperada face à energia consumida pela tração, no mês em estudo. Extrapolando para o mês de

Julho conseguir-se-ia um aumento de 21%, que somado à energia de travagem representa 32% da

energia consumida pela tração.

Em analogia, alargando esta breve análise para o sistema frigorífico, conseguia-se suprir as

necessidades energéticas em 18%. Somando a energia recuperada pelo sistema fotovoltaico à

energia possível de aproveitar na travagem conseguia-se recuperar 49% da energia total consumida

por esta unidade. Mais uma vez, este valor é calculado para o mês de Novembro.

Durante o mês de Maio de 2013, tabela A.2 em anexo, o sistema frigorífico operou durante

131 horas, que representa 786 kWh de energia consumida. Considerando a energia recuperada

durante a travagem com a energia produzida pelos painéis, verifica-se um excesso de produção

durante este período, pelo que o motor de combustão auxiliar poderia ser dispensado.


3.3.3 Subsistema de Armazeamento de Energia

Como foi mencionado na secção 2.2 do capítulo 2 os supercondensadores são caraterizados

pela sua elevada densidade de potência e baixa densidade energética, quando comparados com as

baterias. Desse modo, e complementando-se as vantagens, apresenta-se nesta secção o dimensio-

namento de um sistema hibrido de armazenamento de energia elétrica.

O objetivo deste SAE é absorver os picos de energia durante a travagem, armazenar a ener-

gia produzida pelos PVs e suprir as necessidades de potência impostas pela carga. Neste caso é

necessário assegurar que a energia armazenada no SAE é suficiente.

Os requisitos de potência e energia dos sistemas a alimentar podem ser representados pelo

rácio energia/potência, definidos pela equação 3.16.

Re/p =Er

Pr

(3.16)

onde Er e Pr são, respetivamente, a energia e potência necessárias.

Figura 3.13: Variação da corrente e tensão na bateria e no SC com um degrau de corrente na saída[10]

Conhecido o Re/p pode dimensionar-se a bateria e o supercondensador, pelo que o rácio de

energia/potência é igual à expressão 3.17.

Mb.Eb +MSC.ESC

Mb.Pb +MSC.PSC

= Re/p (3.17)

onde Mb e MSC são a massa da bateria e do supercondensador, respetivamente, Eb e ESC são a

energia específica da bateria e do SC, respetivamente, e por fim a Pb e PSC são a potência especifica

da bateria e do SC, respetivamente.


MSC = k.Mb (3.18)

onde k é calculado pela seguinte equação:

K =Eb −Re/pPb

Re/pPc−ESC

(3.19)

então a energia específica do SAE é dada por:

Eesp =Mb.Eb +MSC.Ec

Mb +MSC

=Eb + kESC

1+ k(3.20)

e a potência específica por:

Pesp =Mb.Pb +MSC.Pc

Mb +MSC

=Pb + kPSC

1+ k(3.21)

Pela análise do gráfico da figura 3.10 na gama de potência selecionada para o motor elétrico

identifica-se que a máxima energia recuperada seria aproximadamente 3,2 kWh para 80 kW de

potência. Desta forma o valor do Re/p é de 0,04 h.

0

10

20

30

40

0 50 100 150 200

En

erg

ia K

Wh

Tempo (horas)

Energia de travagem vs Energia do Sist. frigorífico

Var. diária da Energia de travagem Var. diária da energia cons. Sist. frigorifico

Figura 3.14: Evolução diária do total de energia consumida pelo Sist. Frigorifico em relação àenergia recup. na travagem

Um indicador relevante para o dimensionamento do SAE é a evolução diária do total de energia

consumida pelo sistema frigorífico e a evolução do total de energia recuperada durante a travagem.

Isto porque, caso a cadência da energia de travagem esteja sincronizada com a do consumo por

parte da carga, o armazenamento de energia só necessita de compensar o défice. O gráfico da

figura 3.14 ajuda a compreender as necessidades energéticas diárias.

Pelo estudo deste gráfico conclui-se que a diferença média de energia é cerca de 13,62 kWh

e a máxima diferença é de 35 kWh, o que significa que seria necessário uma sistema com a capa-

cidade energética de pelo menos de 35 kWh para eliminar o motor auxiliar de combustão. Estes

3.4 Arquitetura do Sistema 45

dados não contemplam a energia produzida pelos PVs, pois considerando esta energia o SAE seria

redimensionado em baixa.

Com base na tabela 2.2 resumem-se as características de 4 tipos diferentes de baterias e dos

SCs no quadro 3.7.

Tabela 3.7: Peso do SAE apenas com uma tecnologia de armazenamento [10, 12]

Chumbo - Ácido Ni/Cd Ni/MH Li-I UltracondensadorPotência Especifica (W/kg) 75 120 140 430 2500Energia Especifica (Wh/kg) 35 50 64 200 2Peso total (Kg) 1066 667 571 186 6810

Combinando as duas tecnologias pode comparar-se o peso total do SAE através da tabela 3.8 .É

evidente que a hibridização das fontes reduz o peso do sistema significativamente, especialmente

com a bateria, que tem baixa densidade de potência.

Tabela 3.8: Parâmetros do sistema hibrido de armazenamento de energia

Chumbo - Ácido Ni/Cd Ni/MH Li-IPotência Especifica (W/kg) 195 227 344 909Energia Especifica (Wh/kg) 33 38,5 58 155Peso da bateria (kg) 390 272 213 68Peso dos SCs (kg) 20 19 20 20Peso total (Kg) 410 353 233 88

3.4 Arquitetura do Sistema

Nesta secção será apresentada a arquitetura do sistema que responde às diversas necessidades

identificadas e apresentadas de seguida.

3.4.1 Análise de Necessidades

No contexto da elaboração do projeto é essencial conhecer os obstáculos e ambições das em-

presas de transportes. Assim, tendo em conta o contacto com a empresa colaboradora na disserta-

ção, apresentam-se seguidamente as necessidades:

• Reduzir os consumos de combustível;

• Reduzir o grau de incerteza relativo à volatilidade dos preços dos combustíveis e derivados

do petróleo;

• Reduzir as emissões de gases poluentes;

• Reduzir os níveis de ruído;

• Alargar os intervalos de manutenção, reduzindo os custos e as necessidades de intervenção;


• Reduzir o desgaste dos componentes do veículo (pastilhas e discos de travão, filtros, óleo,

correias, etc),

• Melhorar o desempenho do veículo, com intervenções de baixo custo, pouco invasivas e que

não violem contratos de garantia e manutenção com as marcas;

• Diminuir os custos de operação;

• Aumentar o ciclo de vida do veículo;

• Rentabilização máxima do veículo e diminuição do seu break-even;

• Transportar as mercadorias cumprindo os requisitos e os parâmetros de qualidade.

3.4.2 Requisitos do Sistema

Para responder às necessidades encontradas especifica-se os requisitos do sistema. Estes

encontram-se divididos em requisitos do sistema e requisitos funcionais de controlo. Uma vez

que este projeto integrará vários subsistemas, os mesmos organizam-se respeitando a nomencla-

tura exemplificada de seguida, em que x pode tomar as seguintes designações:

1. Sistema fotovoltaico

2. Sistema de travagem regenerativa

3. Sistema de armazenamento de energia

4. Sistema de ligação à carga

Requisitos do sistema

RSx.i – Requisito número i do subsistema x.

RS1.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações e deformações

da estrutura do veículo, e à velocidade do mesmo;

RS1.2 O sistema deve ser leve, modular e não exceder as cotas da superfície da carroçaria do

veículo;

RS1.3 A instalação não poderá interferir nem modificar a carroçaria;

RS1.4 Os custos de implementação devem ser reduzidos e manutenção inexistente, dentro do ciclo

de vida anunciado para o sistema.

RS2.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações do veio e

estrutura do veículo, acelerações e gama de velocidades da viatura, às poeiras e penetração

de água;

RS2.2 O sistema deve ser redundante, ou seja, em caso de falha, a travagem deve ser assegurada

pelo sistema mecânico;

RS2.3 O sistema deve ser leve e modular;

RS2.4 A instalação não poderá interferir nem modificar a cadeia de transmissão da viatura;

RS2.5 Baixo custo de implementação e manutenção inexistente, dentro do ciclo de vida anunciado

para o sistema.

3.4 Arquitetura do Sistema 47

RS3.1 O sistema deve ser robusto às variações das condições climatéricas, vibrações da estrutura

do veículo, às poeiras e penetração de água;

RS3.2 O sistema deve ser leve e modular, protegido e de difícil acesso ou abertura;

RS3.3 A integração do sistema deve ser ajustada de acordo com as furações da estrutura do camião;

RS3.4 Baixo custo de implementação, manutenção inexistente, dentro do ciclo de vida anunciado

para o sistema.

RS4.1 A ligação deve ser segura do ponto de vista da utilização por parte do operador;

RS4.2 A interface deverá ser por conjunto ficha e tomada trifásica standart, 208V/230V - 3 - 50Hz.

Requisitos funcionais de controlo

RFCx.i – Requisito funcional de controlo número i do subsistema x.

RS1.1 Garantir o fluxo de energia unidirecional dos PVs para o barramento;

RS1.2 Fornecimento de energia à tensão do barramento;

RS1.3 Isolamento galvânico da estrutura do veículo e instalação de proteções automáticas e manu-

ais;

RS1.4 Monitorização da energia produzida e do estado do sistema;

RS1.5 Controlo MPPT e sistema seguidor solar, quando o veículo se encontra com o travão de

parque ativo.

RS2.1 Controlo de binário;

RS2.2 Atuação em paralelo com o sistema mecânico, aplicando binário máximo a velocidades

elevadas. Prioridade do sistema mecânico para velocidades abaixo dos 20 km/h;

RS2.3 Monitorização do sistema e das variáveis, tais como corrente, tensão, velocidade e potência.

RS3.1 Manter os SCs descarregados quando o veículo circula a velocidades elevadas;

RS3.2 Manter os SCs carregados quando o veículo se encontra a baixas velocidades;

RS3.3 Garantir o fornecimento de energia para o barramento à tensão do barramento;

RS3.3 Garantir fornecimento de energia às fontes à tensão nominal das mesmas;

RS3.4 Monitorizar o SOC do sistema;

RS3.5 Prioridade ao fornecimento de potência pelos SCs;

RS3.6 Prioridade ao fornecimento de energia pelas baterias;

RS3.7 Proteções contra sobrecargas;

RS3.8 Manter o SOC das baterias acima dos 40%.

RS4.1 Fornecer energia à carga sempre que a autonomia do SAE for superior a 10 min;

RS4.2 Monitorizar os consumos de energia e transito de potências;

RS4.3 Garantir o fluxo e controlo de energia com proteções contra sobrecargas;

RS4.4 Garantir o fornecimento de energia uma tensão 208V/230V - 3 - 50Hz.


3.4.3 Conceito do Sistema

A arquitetura a projetar deve garantir os fluxos de potência envolvidos neste sistema, isto é, as

diversas fontes de produção, armazenamento e consumo de energia.

Esta arquitetura pretende dar resposta às diversas necessidades analisadas anteriormente, no-

meadamente, alimentar o sistema de refrigeração e componentes associados, reduzindo assim, o

número de operações do gerador a diesel utilizado no Carrier R© 950 MT e simultaneamente di-

minuir o seu consumo e as emissões de gases inerentes ao seu funcionamento. Pretende-se ainda,

reduzir a utilização da caixa de velocidades nas desacelerações bem como a carga mecânica sobre

as pastilhas e discos de travão, diminuindo assim, o seu desgaste. Diretamente relacionado com

estes aspetos encontra-se a diminuição das necessidades de manutenção.

O sistema é constituído por um motor síncrono de ímanes permanentes, pelas razões apresen-

tadas ao longo do capítulo 2 (em detalhe no capítulo 4), dois inversores trifásicos, um conversor

bidirecional CC/CC, o SAE e um controlador. Estes componentes estruturam um possível sistema

de travagem regenerativa paralela a aplicar ao camião DAF FA CF35. Caso se considere incluir os

painéis fotovoltaicos será necessário acrescentar um conversor unidirecional CC/CC.

Figura 3.15: Proposta da arquitetura do sistema

A energia cinética convertida durante as travagens e desacelerações do veículo é transferia

do gerador para o barramento através do inversor trifásico, podendo carregar as baterias, os SCs

ou até alimentar diretamente a carga. Propõe-se a alimentação do motor de indução trifásica do

Carrier R© Supra 950 Mt, a partir do SAE, controlado pelo segundo inversor que também poderá

estabelecer ligação à rede.

O desenvolvimento deste conceito, figura 3.15, abre caminho para uma evolução que compre-

ende as seguintes fases:

1 Alargar a alimentação aos restantes sistemas auxiliares;

3.5 Desempenho da Arquitetura 49

2 Carregamento das baterias a partir da rede (sistema Plug-in);

3 Incorporar painéis solares fotovoltaicos na superfície dos reboques/carroçarias;

4 Desinstalar a unidade de combustão utilizada no Carrier R© 950 MT, e todos componentes

associados. Desta forma, o compressor será unicamente acionado pelo motor elétrico;

5 Aumentar a potência e capacidade energética do veículo, podendo assim, o gerador acoplado

ao veio auxiliar nas acelerações;

6 Implementar o sistema vehicle to grid, que consiste no veículo ou reboque fazerem inter-

face com a rede. Isto é, o veículo estando equipado com painéis fotovoltaicos e com as

baterias completamente carregadas, o excedente de potência poderá ser injetada na rede ou

até mesmo alimentar diretamente o armazém logístico;

7 Numa última fase, e com os novos sistemas de injeção direta que possibilitam controlo

total e independente da injeção e ignição em cada cilindro, o motor de combustão poderia

incorporar mais um modo de funcionamento. Sendo o motor de combustão destes veículos

normalmente constituído por 6 cilindros, estando este ao ralenti ou em desaceleração, dois

dos cilindros poderiam funcionar como compressor (princípio aplicado aos compressores

volumétricos alternativos [28]). Seriam necessárias modificações, como a implementação

de um novo sistema coletor e válvulas à saída do cilindro. Esta configuração permitiria

eliminar o compressor convencional que está acoplado ao motor, reduzindo o peso total

do sistema possibilitando a conversão de energia cinética em ar comprimido, durante as

reduções e travagens do veículo.

Estas, à exceção da sétima, encontram-se ilustradas na figura 3.15.

3.5 Desempenho da Arquitetura

A partir da análise efetuada ao longo deste capítulo, nesta secção apresentam-se os resultados

teóricos possíveis de alcançar com a arquitetura definida na secção 3.4 e o dimensionamento dos

subsistemas na secção 3.3.

Em comparação com o gráfico da figura 3.7 e, respeitando o dimensionamento, e optou-se por

um PMSM com o mesmo desempenho do representado no gráfico da figura 3.16 e uma potência

máxima de 80 kW. Este garante a recuperação de 88% da energia de travagem. Isto significa que

é possível regenerar 10% da energia total consumida pela tração.

Em consonância com o gráfico da figura 3.8, a energia recuperada, com este motor durante

a travagem, representa 28% da energia total consumida pelo sistema frigorífico, contra os 32%

possíveis de obter. Assumindo a energia produzida pelo subsistema fotovoltaico projetado anteri-

ormente, com um total de potência instalada de 3675W , somada à energia recuperada na travagem,

durante o mês de Novembro atingir-se-ia níveis de recuperação de energia na ordem dos 16% da


Figura 3.16: Características de potência-binário-velocidade do motor EMRAX R© standard comIP21 [29]

energia consumida na tração e 45% da energia consumida pelo sistema frigorífico. Estes valores

refletem-se na redução do consumo de combustível (na mesma amplitude).

A decisão de projetar o sistema para alimentar o motor frigorifico, do ponto de vista do pro-

jeto, exigirá um grau de complexidade e custos com material inferiores ao dimensionamento para

a cadeia de tração. Por sua vez, os ganhos obtidos face ao investimento e complexidade, são

superiores, dado que os consumos totais de combustível pelo sistema frigorifico são significativos.

A produção e recuperação de energia não são sincronizadas com os consumos. Deste facto,

mostra-se a necessidade de integração do sistema de armazenamento. Respeitando a arquitetura,

o carregamento deste sistema a partir da rede é um requisito. Deste modo, apresenta-se no gráfico

da figura 3.19 a evolução do SOC do SAE ao longo do dia. No início de cada dia, o estado da

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200

En

ergia

KW

h

Energia de Tração vs Energia Regenerada

Energia de Tração (2685 kWh) Energia Regenerada (270 kWh)

Figura 3.17: Relação entre a energia total de tração e a energia total regenerada com o motor de80 kW

3.5 Desempenho da Arquitetura 51

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200

En

erg

ia K

Wh

Energia do Sist. frigorifico vs Energia regenerada

Energia de regenerada (270 kWh) Energia do Sist. Frigorifico (968 kWh)

Figura 3.18: Relação entre a energia total consumida pelo Sist. frigorifico e a energia total rege-nerada com o motor de 80 kW

carga encontra-se a 100% logo, os valores de energia encontram-se nos 20kWh (capacidade total

do SAE com os painéis fotovoltaicos).

Verifica-se que durante 8 dias no mês de Novembro não seria necessário recorrer ao motor de

combustão do sistema frigorífico, para acionar o compressor.

Um outro aspeto importante importante é o contributo deste sistema para a redução das ope-

rações de manutenções. A Carrier R©, fabricante do sistema de frio, anuncia um intervalo de

manutenção de 1000 em 1000 horas de funcionamento. Deste modo, e uma vez que o sistema

reduz o tempo de funcionamento do motor diesel em 45% reflete-se num aumento dos intervalos

de manutenção em 450 horas.

Do ponto de vista da travagem, o motor elétrico quando regenera aplica um binário negativo ao

veio (sentido contrário ao movimento do veio) auxiliando na travagem e desaceleração do veículo.

Isto significa que o o esforço é distribuído pelo sistema mecânico e pelo Sistema de travagem

Regenerativa (STR).

-10

0

10

20

0 50 100 150 200

KW

h

Tempo (horas)

Estado de Carga da bateria

SOC

Figura 3.19: Variação diária do estado de carga dos sistema de armazenaento


0

100

200

300

400

500

600

0 50 100 150 200

Bin

ári

o k

Nm

Binário do travão sem e com travagem regenerativa

Binário aplicado pelo travão mecânico (435 kNm) Binário aplicado pelo travão mec. c/regenerativa (305 kNm)

Figura 3.20: Binário aplicado pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema comtravagem regenerativa

Esta distribuição do binário e da potência de travagem, apresenta-se traduzida nos gráficos das

figuras 3.20 e 3.21.

Da análise destes gráficos, conclui-se que a coexistência do sistema mecânico de travagem

com o STR suaviza e reduz a carga sobre os componentes.

O binário total aplicado pelo sistema de travagem mecânico é reduzido em 30% e a potência

total em 31%. Esta redução reflete-se diretamente na poupança dos consumíveis deste sistema,

nomeadamente pastilhas e discos de travão.

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200

Po

ten

cia

MW

Potencia mecânica travão sem e com travagem regenerativa

Potencia aplicada travão mecânico (35 MW)

Potência Aplicada pelo travão mecânico com travagem regenerativa (24 MW)

Figura 3.21: Potência aplicada pelo travão mecânico no sistema convencional e no sistema comtravagem regenerativa

Para este veículo em estudo, conclui-se que a aplicação do STR possibilita uma poupança

anual de combustível no motor auxiliar do sistema frigorifico na ordem dos 41%. A instalação

dos painéis fotovoltaicos possibilita uma poupança de 46%. Com a implementação destes dois

subsistema, em conjunto, poder-se-á alcançar uma poupança de combustível anual até 87%.

3.6 Conclusão 53

3.6 Conclusão

Este capítulo desenvolveu as características do sistema a projetar, face aos requisitos funcio-

nais, apresentando os resultados a atingir com a aplicação deste num VP. No próximo capítulo vai

ser analisado especificamente, pelas suas características, o subsistema de travagem regenerativa.

Capítulo 4

Sistema de Travagem Regenerativa

O presente capítulo assentará no estudo do sistema de travagem regenerativa (STR), nomea-

damente no controlo do motor síncrono de ímanes permanentes (PMSM), apresentando as suas

caraterísticas na secção 4.1, a sua modelação, controlo e estratégia de estimação da referência de

binário na secção 4.2. Por último, na secção 4.3 apresentar-se-á a análise efetuada ao desempenho

deste subsistema com recurso ao software de simulação computacional PSIM R©.

Através do estudo efetuado na subsecção 2.1.3 do capítulo 2 depreende-se que um dos contri-

butos do STR é a conversão da energia cinética em energia elétrica. Consequentemente, o desgaste

dos componentes do sistema de travagem mecânico (STM), provocado pela fricção das pastilhas

com os discos, é reduzido e evitado em variadas circunstâncias.

Um dos pontos chave para a estratégia de controlo de um sistema híbrido de travagem é a

determinação da distribuição de binários entre os dois subsistemas, STM e STR, de acordo com as

especificações e objetivos de controlo. Da mesma forma, um outro objetivo passa por melhorar o

ECU

Válvula

Proporcional

Reservatório

Ar

comprimido

Pedal de Travão

PMSM

Inversor

SAE

-+

Figura 4.1: Esboço do camião com o STM e STR

55

56 Sistema de Travagem Regenerativa

desempenho e a resposta do sistema de travagem em regimes dinâmicos, maximizando a energia

recuperada e, simultaneamente, satisfazendo outras restrições, como por exemplo, o estado de

carga do sistema de armazenamento e a estabilidade do veículo.

Através desta hibridização, esquema da figura 4.1, o binário de travagem nas rodas é composto

pelo gerado durante o atrito nos travões e pelo binário negativo no veio, introduzido pelo STR. O

desenho de um controlador ótimo para o STR passa pela estimação do binário a aplicar, conside-

rando a posição do pedal de travão, a velocidade angular da roda, a velocidade angular do veio e

o estado da carga dos super condensadores e bateria.

O binário produzido pelo motor é transmitido às rodas através de um sistema de transmissão

constituído pelo veio propulsor, grupo cónico com diferencial e os semi-eixos das rodas. O STM

é um sistema que combina ar comprimido e pressão hidráulica para a operação de travagem. Os

componentes principais são o reservatório de ar, uma válvula proporcional, o circuito pneumático,

o circuito hidráulico, as maxilas de travão e os discos, tal como se encontra ilustrado na figura 4.1.

O reservatório é preenchido com ar a alta pressão e, a válvula proporcional, que é controlada

por uma unidade de controlo eletrónica (ECU), gere o fluxo do ar desde o reservatório até ao

pistão hidráulico. Uma câmara de travão contém um cilindro de ar e um cilindro hidráulico. Cada

cilindro é equipado com um pistão e um tirante. O diâmetro do pistão pneumático é superior ao

pistão hidráulico e desta diferença de diâmetros resulta uma pressão hidráulica superior à admitida

no cilindro com ar. Na roda, o óleo pressurizado força o pistão e este empurra as pastilhas de travão

contra os discos. Desta forma, o binário de travagem é produzido pela fricção.

A componente regenerativa (elétrica) do sistema de travagem opera, por razões de segu-

rança, embebida na componente mecânica transferindo a energia cinética numa energia elétrica,

armazenando-a. Funcionalmente é constituído por um gerador elétrico, seu controlador e o sistema

de armazenamento.

4.1 PMSM

Na conceção do STR, a aplicar no camião, considerou-se a utilização de uma máquina elétrica

tipo PMSM. Este motor apresenta como vantagens [10]:

• Elevada Eficiência: Por usar ímanes permanentes (PM) para a excitação, deixando de con-

sumir potência para o efeito. Não apresenta perdas por fricção, devido à ausência de comu-

tadores mecânicos e escovas;

• Compacto: A recente utilização de imanes com elevada densidade energética (imanes de

terras raras) tem permitido atingir densidades de fluxo elevadas, possibilitando a produção

de binários elevados;

• Fácil de controlar: Pode ser controlado como um motor DC devido ao desacoplamento do

fluxo e do binário em variáveis facilmente acessíveis;

• Fácil de arrefecer: Como não há circulação de corrente no rotor, o único ponto de produção

de calor é o estator, que é acessível por estar estático e na periferia do motor;

4.1 PMSM 57

• Baixa manutenção e longevidade: A ausência de escovas e comutadores mecânicos elemina

as necessidades de manutenção e de falhas associadas a estes componentes. A longevidade

é assegurada pelo isolamento dos enrolamentos, pelos rolamentos e pelo ciclo de vida dos

imanes;

• Baixa emissão de ruído: A frequência de comutação é elevada não existindo harmónicos

audíveis.

Em contrapartida, como desvantagens [10], tem-se em consideração:

• Custo: O preço dos ímanes de terras raras é mais elevado, resultando num aumento do preço

do motor;

• Gama de potência constante limitada: Uma larga gama de potência constante é importante

para atingir uma eficiência elevada. Com este motor, não se consegue atingir uma velocidade

máxima superior a duas vezes a velocidade nominal;

• Segurança: Em caso de acidente, se o motor continuar a rodar livremente, os seus ímanes e

a tensão elevada aos seus terminais podem, eventualmente, por em perigo os utilizadores;

• Desmagnetização dos ímanes: Podem ser desmagnetizados devido a elevadas forças mag-

néticas opostas ou a temperaturas elevadas durante a operação. Deve garantir-se o arrefeci-

mento do motor, especialmente nos de construção compacta;

• Capacidade a velocidades elevadas: Os motores com ímanes montados à superfície do rotor

não podem alcançar velocidades elevadas, devido às limitações mecânicas da montagem dos

PMs no rotor;

• Falhas no inversor: De facto, a rotação do rotor está sempre a induzir uma força contra ele-

tromotriz (EMF) nos enrolamentos curto-circuitados. A circulação de uma corrente muito

elevada neste enrolamento e, portanto um binário elevado pode bloquear o motor. Além

disso, uma corrente elevada, resultante de um curto circuito do inversor pode causar o risco

de desmagnetizar e destruir os ímanes.

4.1.1 Tipos de Máquinas PMSM

O rotor do motor pode apresentar configurações diferentes consoante a disposição dos ima-

nes. Distingue-se pela montagem dos imanes à superfície do rotor ou no seu interior, tal como é

ilustrado na figura 4.2.

Sob o ponto de vista da construção, a montagem dos ímanes na superfície torna-se mais sim-

ples e a disposição dos polos enviesados facilita a magnetização, minimizando assim, as oscilações

de binário. Como a permeabilidade dos PMs é próxima da permeabilidade do ar o rotor é isotró-

pico, ou seja, o fluxo é uniforme em todas as direções [19].

Os motores com rótor cujos os ímanes estão dispostos no interior são ótimos candidatos para

operarem a velocidades elevadas, uma vez que, o rótor é altamente anisotrópico, lidando com

duas componentes, a de excitação e a componente de binário. Por sua vez, estas são elevadas o


(a) PMSM com imanes montados na su-perfície do rotor

(b) PMSM com imanes montados no in-terior do rotor

Figura 4.2: Configurações do rotor do PMSM [10]

que possibilita uma densidade de binário significativa, fazendo com que estes atinjam velocidades

maiores [19].

Neste caso, os enrolamentos do estator têm duas classes definidas pela respetiva forma de onda

da EMF, trapezoidal ou sinusoidal. A trapezoidal tem como características a distribuição retangu-

lar do fluxo magnético no entre ferro, a forma de onda da corrente retangular e os enrolamentos

do estator concentrados. No caso da sinusoidal, esta apresenta uma distribuição do fluxo magné-

tico no entre ferro sinusoidal, formas de onda da corrente e distribuição dos condutores no estator

igualmente sinusoidais.

Figura 4.3: PMSM com rotor interior e exterior [20]

O estudo da geometria do motor é baseada na razão β , que é a relação entre a largura angular

do imane Lm e o passo do polo Lp. Esta relação é usada de forma a ajustar a largura angular do

imane de acordo com o passo do polo do motor [20].

4.2 Modelação e Controlo do PMSM 59

β =Lm

Lp

e Lp =π

p(4.1)

A relação entre a largura angular do dente principal e a largura angular do imane tem uma

influência significativa na forma da força eletromotriz do motor. Esta razão pode ser transcrita

pela equação representada seguidamente em 4.2:

Rldla =Adente

Lm

(4.2)

A geometria do motor, ou seja a disposição do rotor, é um aspeto estrutural importante. Os

resultados da comparação térmica entre o motor com rotor no interior e com rotor exterior, apre-

sentados na figura 4.3, demonstram que a temperatura do primeiro é sempre superior à dos motores

com rotor externo. As fontes de calor originam-se devido às perdas no cobre e às perdas no ferro

do estator, o que compromete a eficiência da máquina [20].

4.2 Modelação e Controlo do PMSM

Uma vez que, tipicamente, esta máquina é operada na função de gerador, a sua modelação e

análise do método de controlo são realizados na função de motor, considerando que a mudança de

função traduz-se simplesmente na mudança da posição angular dos vetores fluxo no entreferro e

corrente.

Como uma máquina síncrona que é, o campo do rotor deve girar à mesma velocidade do campo

do estator. De outra forma, as perdas de sincronização entre estes fazem com que o rotor rapida-

mente alterne entre o binário positivo e negativo, causando a paragem do motor. Por conseguinte

a velocidade da máquina é dada pela equação 4.3:

ws =we

P=

2π f

P(4.3)

onde ws(rad/s) é a velocidade angular do rotor, f (Hz) a frequência de alimentação do estator e

P é o número de pares de polos.

Quando os enrolamentos do estator são percorridos por uma corrente produzem um campo

magnético rotativo. De forma a controlar a rotação deste campo é necessário ter em conta as

correntes no estator. A interação entre o fluxo do estator e o fluxo do rotor produz um binário

traduzido pela expressão 4.9:

Tem =−→B estator ×

−→B rotor (4.4)

Esta equação mostra que se atinge o binário máximo se o campo magnético do estator e do

rotor forem ortogonais. Tal evidencia a necessidade de controlar o ângulo entre eles, de maneira

a manter os 90o, para assim, produzir o máximo binário e atingir uma elevada eficiência. Esta


sincronização necessita de conhecer a posição do rotor, que pode ser obtida pela integração da

velocidade.

Baseado no circuito da figura 4.4 o motor pode ser modelado pelas seguintes equações:

Figura 4.4: Circuito equivalente do PMSM

Vs = RsIs +Ls

dIs

dt+Es (4.5)

Es = KEωr (4.6)

Te = KT Is (4.7)

Te = TL + Jdωr

dt+Bwr (4.8)

onde Vs é a tensão da fonte, Rs e Ls representam a resistência e a indutância do enrolamento do

estator, respetivamente. Es representa a EMF induzida no enrolamento pela rotação do rotor, kE é

a constante EMF, KT a constante de binário, TL o binário da carga, B o coeficiente de viscosidade e

ωr a velocidade angular do rotor. J é a inércia do motor, e representa o atraso mecânico e elétrico

nas respostas em situações transitórias.

O binário eletromagnético do motor pode também ser definido pela equação 4.9

Tem =32

P [ψIq + IdIq(Ld −Lq)] (4.9)

Descrevendo o modelo dinâmico do motor no referencial d-q (figura 4.5), desacopla-se a com-

ponente do fluxo da componente de binário, podendo estas serem controladas de forma indepen-

dente pelas correntes Id e Iq, respetivamente.

Recorrendo às transformações:


[

χd

χq

]

=23

[

cos(θ) cos(θ − 23 π) cos(θ + 2

3 π)

sin(θ) sin(θ − 23 π) sin(θ + 2

3 π)

]

χa

χb

χc

(4.10)

χa

χb

χc

=

cos(θ) sin(θ)

cos(θ − 23 π) sin(θ − 2

3 π)

cos(θ + 23 π) sin(θ + 2

3 π)(

[

χd

χq

]

(4.11)

onde χ pode representar corrente, tensão ou o fluxo.

Figura 4.5: Diagrama vetorial, em regime permanente, do PMSM no referencial d-q [19]

O resultado das equações diferenciais relacionadas com as componentes d e q do motor são

seguidamente apresentadas:

Vd = Rid +Ld

did

dt−Eq (4.12)

Eq = ωeLqiq (4.13)

Vq = Riq +Lq

did

dt+Ed (4.14)

Ed = ωeLd id +Kωm (4.15)


onde k é a constante elétrica da EMF. Esta pode ser calculada de acordo com as magnitudes

geométricas do motor, de modo a funcionar com uma velocidade elevada. Rd , Ld , Rq e Lq são

as resistências e indutâncias equivalentes do motor no domínio d-q. As correntes são traduzidas

pelas expressões 4.16 e 4.17:

Id =1

Ld.s+R(Vd +ωeLqIq) (4.16)

Iq =1

Lq.s+R(Vq −ωeLdId −Kωm) (4.17)

4.2.1 Estratégia de Controlo

Formuladas as equações que modelam o PMSM, pretende-se então, controlar o binário produ-

zido por este motor de acordo com a referência do pedal do travão.

Sendo assim, o controlo por orientação de campo (FOC) apresenta-se como um método capaz

de controlar separadamente o binário produzido e as componentes do fluxo de magnetização. Este

desacoplamento assegura o controlo fácil de um motor trifásico, de forma equivalente a um motor

DC com excitação separada. Isto significa que a corrente da armadura é responsável pelo binário,

e a corrente de excitação pelo fluxo.

M

+

-

VDC VDC

L

C

+

-

Filtro Inversor DC - AC

Ia Ib

S(V)PWMCalculo da

posição do

rotor

ωr

ᶿr

Estimador

de

binário

dq

abc

Va

Vb

Vc

Binário

medido

PI

PI

abc

dq

ᶿr

Id

Iq

Iq_ref

Cálculo

do fluxo

Iq

Id

Iq

SOCωr

Sinal

do

Pedal de

TravãoMicrocontrolador

T_ref

Id_ref+-

+-+-PI

IqId

ᶿr

Ia

Ib

Figura 4.6: Diagrama do sistema de controlo do PMSM


O processo apresentado na figura 4.6 pode ser sumariado nos seguintes passos:

• São medidas as correntes em duas fases do motor. Esta medição fornece o valor das corren-

tes ia e ib, ic sendo calculado equação 4.18:

ia + ib + ic = 0 (4.18)

• É calculada a posição do rotor (θ) integrando a velocidade ou através dos sinais de seno e

cosseno devolvidos pelo resolver:

θ = arctan(seno(θ),coseno(θ)) (4.19)

A implementação deste cálculo pode ser baseada num algoritmo numérico e iterativo conhe-

cido por Coordinate Rotation by Digital Computer (CORDIC). Este é rápido necessitando

de menos memória que a implementação por vírgula flutuante;

• As correntes nas 3 fases são convertidas no sistema de coordenadas que está alinhado com o

fluxo do rotor, recorrendo às transformadas juntamente com a posição do motor, fornecida

pelo bloco do cálculo da posição do rotor. Desta transformação resultam os valores de id e

iq, que em regime permanente são constantes;

• Id e Iq são usados para a referência do controlo do fluxo de magnetização do rotor e para o

controlo de binário produzido pelo motor, respetivamente;

• A corrente Iq desejada (Iqre f ) é a saída do controlador proporcional-integrativo (PI) apres-

netando como entradas a referência de binário Tre f fornecida pela estimação do mesmo

(explicado mais adiante) e o binário do motor calculado a partir das correntes Id e Iq;

• Os sinais de erro das correntes Iq e Id são entradas dos controladores PI cujas saídas são

transformadas de novo para 3 fases, obtendo-se então, a referência de tensão para cada fase,

Va, Vb e Vc. As tensões nas 3 fases são usadas para calcular o novo duty-cycle do PWM para

gerar o vetor de tensão desejado (no caso da implementação do SVM);

• Os sinais gerados pelo bloco de SVPWM ou SPWM, no caso de implementação do PWM

sinusoidal, são enviados para as gates dos IGBTs do inversor, que controla o PMSM.

A análise comportamental, na simulação computacional, desta estratégia de controlo obriga

a analisar o comportamento dos seguintes blocos: filtro, estimador de binário, controladores PI e

S(V)PWM, uma vez que o modelo comportamental do motor já foi analisado, pela sua importância

central, na secção 4.1.

4.2.2 Estabelecimento do Binário de Travagem Regenerativa

Para iniciar a travagem regenerativa é necessário fornecer uma referência de binário, assim é

preciso estabelecer o binário ótimo em função do pedido de binário pelo pedal de travão, de modo

que embebida no sistema de travagem mecânica, o STR regenere o máximo de energia cinética.


De forma a simplificar a representação desta função, ao longo no texto será referido como

estimador de binário. A figura 4.7 representa o diagrama de blocos funcional deste estimador.

Estimador de Binário

Sinal de

Travão

SOC UC

ω

STR

T_ref

eletrico

Sistema

elétrico

Variação

travão

SOC Bat.

Figura 4.7: Visão geral do controlador para os sistemas de travagem

Neste caso, e cumprindo os requisitos RS2.2 e RS2.4 enumerados na subseção 3.4.2, a estra-

tégia passa por aproximar este sistema a um STR série. Isto porque, num STR paralelo ambos os

sistemas são acionados sempre que o pedal de travão é ativado.

Para o cálculo do valor da referência de binário para o motor elétrico, o algoritmo apresentado

na figura 4.8, baseado na figura 4.7, apresenta como entradas o sinal do pedal de travão, o estado

de carga dos UCs e a velocidade do veículo, representada na velocidade do rotor ωr.

A atuação do STR tem em conta a variação da força do pedal com o tempo (dSinal travão).

De facto, esta condição revela-se crucial para identificar situações de travagens bruscas e/ou de

Sinal travão

> 0

Inicio

D.sinal_travão

<

D.sinal_travão_limite

Não

Sim

Ref_binário STR = 0;

(Apenas travagem mecânica)

Não

Fim

Sim

Não

Sim

Não

Binário pedido

>

Binário máximo PMSM

Sim

Ref_binário_STR

=

Binário máximo PMSM

Ref_binário_STR

=

Binário nominal

Fim

SOC UC

< 100%Vel.camião

> 15 km/h

Ref_binário_STR

=

Binário pedido

Não

Sim

Fim

Fim

Fim

Figura 4.8: Algoritmo para estimação da referencia de binário para o STR


emergência que possam danificar o sistema, afetar a dinâmica de travagem e a própria estabilidade

do veículo. Importa referir que nesta condições apenas opera o sistema mecânico.

Outra consideração importante é o SOC dos UCs, isto pelo facto da corrente e, consequente-

mente a energia produzida pelo PMSM durante a travagem, ser proporcional ao binário negativo

produzido. Desta forma, é essencial conhecer a capacidade do sistema de armazenamento para

absorver a energia produzida. Doutra maneira, e estando os SCs totalmente carregados, o motor

só poderá produzir um binário que não gere uma corrente que ultrapasse o limite que as baterias

suportam durante a carga, garantindo que estas não sejam danificadas. Posto isto, o valor é atuali-

zado de acordo com estado das variáveis, de maneira a produzir um binário dentro de uma gama

que não ultrapasse as restrições de carga da bateria.

4.2.3 Filtro no Barramento CC

Controlar um PMSM com um inversor sem filtro apresenta como desvantagens perdas por dis-

torção harmónica, perturbações no isolamento dos enrolamentos do motor, ruído e ondulação de

binário. Estes efeitos podem ser evitados se os harmónicos associados à frequência de comutação

forem atenuados. Posto isto, o filtro à entrada do inversor, representado na figura 4.4 é necessá-

rio para atenuar a amplitude dos harmónicos à frequência de comutação dos IGBTs, eliminar os

harmónicos de alta frequência, reduzir os harmónicos da tensão e diminuir a distorção da corrente

[30, 31].

O filtro L, de 1a ordem, é composto por uma bonina que atenua -20dB/década para a gama de

frequências, pois só apresenta um polo na sua função transferência. A frequência de comutação

do inversor deve ser aumentada para o filtro conseguir atenuar o ruído.

O filtro LC, de 2a ordem, apresenta uma atenuação eficaz dos harmónicos a altas frequên-

cias, pois decresce -40dB/década sendo a sua frequência de ressonância calculada pela seguinte

expressão:

fc =1

2π√

LC(4.20)

Dado que no filtro L a atenuação da comutação do inversor é baixa, é necessário usar um ele-

mento derivativo para atenuar (ainda mais) os harmónicos da frequência de comutação. É necessá-

rio sempre que a aplicação requer baixa carga à frequência de ressonância (inferior à frequência de

comutação) de modo a atenuar a amplitude que um filtro LC produz nestas condições. O conden-

sador é utilizado como elemento derivativo aumentando a componente reativa da potência [30].

Na gama de filtros passivos, pode contar-se ainda com o filtro LCL, de 3a ordem, que fornece

uma atenuação mais eficaz dos harmónicos de comutação. Este apresenta baixa produção de

reativa e tem uma atenuação de -60dB/década para frequências acima da frequência de corte,

obtida pela expressão:

fc =1

2π

√

L1 +L2

L1L2C(4.21)


com a indutância mais alta do lado do inversor. Este filtro consegue reduzir o nível de distorção

harmónica com baixa frequência de comutação [30].

No dimensionamento de um filtro é necessário ter em conta aspetos como as perdas, o volume,

o peso e o custo. A aplicação de um filtro LC é uma solução atrativa sob o ponto de vista de

implementação. Este filtro é capaz de atenuar a maioria dos harmónicos de baixa ordem da onda

da tensão de saída, e minimiza a distorção para cargas lineares e não lineares.

De forma a diminuir o peso e o volume, para uma frequência de corte especifica, deve maximizar-

se o condensador e minimizar a bobine. O aumento da frequência de comutação é um parâmetro

que contribui para a diminuição do tamanho dos componentes do filtro, desde que as perdas de

comutação não sejam significativas, e de forma a não comprometerem a eficiência do inversor.

É importante analisar a função transferência do filtro para compreender o seu comportamento,

Vo(s)

Vi(s)=

1

L.C.s2 + LR.s+1

(4.22)

esta pode ser reescrita com a frequência em rad/s, já que s = j.ω:

Vo(ω)

Vi(ω)=

1

−ω2

ω20+ ω

ω0.2 j.ξ +1

(4.23)

ξ =L

2.R.√

L.C(4.24)

onde ξ é o fator de amortecimento que descreve o ganho à frequência de corte. Assim, quanto

menor o fator de amortecimento maior é o ganho à frequência de corte. O limite ideal para amor-

tecimento zero seria ganho infinito, contudo a resistência interna dos componentes limita o ganho

Figura 4.9: Diagrama de Bode do filtro LC


máximo.

O fator de amortecimento pode influenciar o funcionamento do circuito de controlo e cau-

sar oscilação. Posto isto recorre-se a variadas técnicas para amortecer ativamente os efeitos de

ressonância, que podem ser consultadas na referência [30].

Desta análise e do requisito de travagem ser feito em binário, que se traduz em corrente pró-

xima da nominal, o filtro dimensionado apresenta como valores do L = 2µ H, C = 200 µ F e

resistência R = 100 mΩ . Os resultados do seu desempenho no sistema podem ser observados na

subsecção 4.3.1 deste capítulo.

Na figura 4.9 está presente o diagrama de bode da função transferência do filtro LC onde se

comprova a sua atenuação de -40dB/dec. Observa-se a atenuação e o amortecimento do filtro para

vários valores da resistência R que reduz o pico da impedância de saída do filtro na frequência de

corte.

Figura 4.10: Lugar Geométrico de Raízes da função transferência do filtro LC

Conclui-se que, se o controlo de corrente tiver como frequência igual à frequência de comu-

tação, o sistema é estável, já que os polos de ressonância do filtro se encontram no semi-plano

esquerdo do lugar geométrico de raízes (figura 4.10), embora estejam perto do limiar para entrar

em instabilidade.

4.2.4 Controladores PI

Os controladores PI, figura 4.11 são usados para controlar o fluxo (valor de Id) e o binário do

rotor (valor de Iq) independentemente. Um controlador do tipo PI responde a um sinal de erro

de um controlo em malha fechada, tentando ajustar e controlar a saída para se obter a resposta

desejada do sistema, isto é, erro nulo em regime permanente. A variável a controlar pode ser o

valor de qualquer variável mensurável como, binário, corrente, tensão ou velocidade. O principal


benefício do PI é que este pode ser ajustado empiricamente através da variação de um ou mais

valores do ganho, observando a alteração da resposta do sistema.

Um PI digital é executado periodicamente num intervalo de amostragem, assumindo-se que

este está a operar a uma frequência suficiente para que o sistema possa ser devidamente controlado.

Figura 4.11: Controlador PI

O sinal de erro é formado pelo pela subtração do valor referência do parâmetro e pelo valor

medido pelo mesmo, sendo que este sinal indica a direção da mudança exigida pelo sinal de

controlo.

O termo proporcional (P) é formado pela multiplicação do erro pelo ganho P fornecendo uma

resposta em função da amplitude desse mesmo erro. À medida que o sinal do erro aumenta, o

termo P torna-se maior, proporcionando mais correção. O efeito do P tende a reduzir o erro global

no decorrer do tempo, no entanto, o seu efeito diminui à medida que o erro se aproxima de zero.

Na maioria dos sistemas, o erro fica muito próximo de zero mas não converge, resultando num

pequeno desvio em regime permanente.

Para eliminar este erro em regime permanente recorre-se ao termo integrativo (I). Este calcula

o total do erro em contínuo. Um pequeno erro acumula-se em regime permanente formando

um grande erro ao longo do tempo. Este sinal acumulado é multiplicado pelo fator de ganho,

tornando-se o I.

A sintonização de um PI inicia-se com a definição do ganho do integrador com valor zero.

Posteriormente aumenta-se o ganho proporcional (kp) até o sistema responder a variações pontu-

ais, sem um overshoot ou oscilações excessivas. Começando por valores baixos para o ganho P,

este vai controlar o sistema ligeiramente, e à medida que este valor aumenta o controlador ficará

próximo. Neste ponto, o sistema não irá convergir para o valor de ajuste.

Depois de selecionar o Kp, aumenta-se lentamente o ganho do I até forçar o erro do sistema

a zero. Na maioria dos sistemas um Ki baixo é suficiente, pois caso este valor seja elevado pode

superar a ação do P e atrasar a resposta, podendo fazer com que o sistema oscile em torno do valor

de ajuste. Caso ocorra uma oscilação, reduzindo o Ki e aumentando o Kp, geralmente, resolve-se

a situação.

Pode ainda considerar-se a aplicação de um termo para limitar o integrador, que ocorre se o

erro satura o termo integrativo. Desta forma, o erro acumulado vai ter que ficar abaixo do valor

que causou a saturação da saída. Este termo limita esta acumulação indesejada.

4.3 Desempenho do STR 69

4.3 Desempenho do STR

O motor é o componente fundamental para o funcionamento deste subsistema, sendo portanto

necessário compreender o seu desempenho através da relação do binário com a potência e com a

velocidade. Com efeito, apresenta-se na figura 4.12 o gráfico característico do PMSM que resume

as relações referidas.

Na simulação considerou-se o motor de ímanes permanentes da ENST ROJ R©, especificamente

o EMRAX standard LC, que se trata de um motor com rotor externo e arrefecido a água. Os parâ-

metros deste encontram-se descritos na tabela 4.1 e foram utilizados na simulação aproximando-a

ao contexto de aplicação real. Este motor responde às necessidades e enquadra-se nos requisitos

do sistema, sendo uma opção para implementação.

Figura 4.12: Curva do binário-potência do PMSM [19]

A figura 4.6, anteriormente destacada, apresenta o modelo do STR implementado no PSIM R©.

A partir desta, é possível identificar o filtro LC que está ligado ao inversor. Por sua vez este

controla o motor que se encontra ligado a uma carga mecânica que simula o veio do camião.

Tabela 4.1: Parâmetros do motor EMRAX inseridos no simulador [29]

Parâmetros do Motor EMRAXPeso: 12 kg

Rs: 0.018 OhmLd: 177 uHLq: 183 uH

Vpk/Krpm: 96No pares polos: 10


Figura 4.13: Sistema de potência implementado em PSIM R©

Os blocos de cálculo das transformadas, cálculo do binário e posição do rotor foram imple-

mentados em código C. Esta implementação, sem recurso às funções cosseno e seno engloba o

esforço de otimização e preparação do código para facilitar a sua transferência e aplicação direta

no microprocessador. Este código foi estruturado de forma a não usar funções trigonométricas,

uma vez que estas exigem bastante memória do lado da implementação. Assim recorreu-se à

utilização de vetores e rotinas que exigem menos memória e velocidade de processamento. Em

alternativa, pode considera-se nestes casos, o recurso a algoritmos específicos como o caso do

CORDIC. A maioria dos softwares de desenvolvimento já dispõe desta biblioteca de funções.

De seguida, mostram-se os resultados da implementação do sistema apresentado na figura 4.13

em PSIM R©, com principal ênfase à análise do binário produzido pelo motor, comportamento dos

controladores e desempenho do filtro.

4.3.1 Resultados de Simulação Computacional

Esta subseção reúne os resultados da simulação desenvolvida no software PSIM R©. Desta

forma, monstra-se o binário produzido pelo motor durante a travagem, para várias gamas de velo-

cidade, tendo em atenção a ondulação do binário. Sob ponto de vista da transferência da potência

para as baterias e/ou SCs, deve garantir-se um bom comportamento da corrente e da tensão do lado


Figura 4.14: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo constante

dos sistemas de armazenamento. Por este motivo procede-se à análise da evolução da corrente e

da tensão DC.

Pela análise dos gráficos da figura 4.14 verifica-se uma resposta rápida do motor para uma

referência de binário em degrau. É possível ainda observar que o motor mantém o binário com

uma oscilação de 2 Nm em 100 Nm, às 3000 Rpm. Depreende-se então, que este apresenta um

Figura 4.15: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo dinâmico


ripple de 2%.

O sentido da corrente é evidenciado pelo valor negativo que apresenta, confirmando o carre-

gamento das baterias. O filtro LC apresenta um desempenho efetivo consolidando o seu dimensio-

namento ao verificar um ripple de corrente na ordem dos 5%. A tensão do barramento mantém-se

nos 300 V como esperado.

É importante analisar a resposta do sistema em regime dinâmico. Então, conclui-se pela aná-

lise da figura 4.15 que o sistema responde com rapidez e sem grandes perturbações a uma transi-

ção em degrau. Nos transitórios, a corrente apresenta uma oscilação, estabilizando rapidamente.

Atrasando a resposta do motor às variações do pedido de binário pela re-sintonização do PI, as

oscilações da corrente são consequentemente suavizadas.

Outra consideração essencial é a velocidade do motor. Verifica-se que para velocidades supe-

riores, apesar do pedido do binário de travagem ser o mesmo, a corrente fornecida às baterias é

superior, figura 4.16. Isto deve-se ao aumento de potência, uma vez que esta tem uma relação com

o binário e a velocidade, traduzida pela expressão:

P =τEmrax.nrpm

9,55.103 ,(kW ) (4.25)

Neste sentido, mostra-se essencial a análise do efeito do binário produzido pelo motor na

carga. Este é evidenciado pela diminuição da velocidade do veio (carga simulada) onde o motor

está acoplado, quando o binário negativo produzido aumenta, figura 4.17.

Simultaneamente, a energia produzida acompanha estas variações, verificando-se a diminuição

da corrente com a redução da velocidade, por exemplo.

Figura 4.16: Operação do EMRAX como gerador, para um binário negativo variável à velocidadelimite


Figura 4.17: Comportamento do STR para um pedido de binário de travagem variável

Como foi referido anteriormente, esta máquina síncrona opera como gerador e como motor.

Como tal, procedeu-se à análise do comportamento desta como auxiliar de tração, necessário

em condições que serão analisadas no próximo capítulo, operando como motor. Este regime está

ilustrado na figura 4.18 comprovado pelo valor positivo da corrente que mostra o fluxo de potência

da fonte para o inversor.

Figura 4.18: Operação do EMRAX como motor


4.4 Conclusão

Neste capítulo foi estudado o sistema de travagem regenerativo, designado por STR, nome-

adamente a integração deste com o sistema de travagem mecânico (STM), equipado de série no

veículo. Foi analisada e desenvolvida a estratégia de controlo e estimação do binário do STR.

Este subsistema é baseado num PMSM. Assim, foram apresentadas as vantagens e desvanta-

gens da utilização desta máquina, passando por uma análise das várias configurações existentes

até à sua modelação e estratégia de controlo. O comportamento desta máquina síncrona mostra-se

adequado ao sistema em projeto.

Encontra-se neste capítulo a subseção que mostra os resultados da simulação deste subsistema

e do controlo do motor, passando pela análise da relação do binário produzido com as correntes

injetadas no barramento.

Capítulo 5

Integração do Sistema e

Desenvolvimento do Protótipo

Após se ter efetuado, no capítulo 3, a análise das soluções para recuperação e rentabilização

do potencial energético do veículo, especificando os subsistemas de armazenamento, produção

fotovoltaica e travagem regenerativa, no capítulo 4 apresentou-se o projeto, modelação e simulação

do subsistema de travagem regenerativa.

Por conseguinte, o presente capítulo envolve o projeto de integração do STR, do subsistema

híbrido de armazenamento de energia e do subsistema fotovoltaico no veículo, considerando a

interação entre estes subsistemas, com vista ao projeto de um protótipo. Pretende-se com a elabo-

ração da presente dissertação dar especial atenção ao STR, dado que sob o ponto de vista técnico

este é considerado mais exigente.

Com efeito, na secção 5.1, analisar-se-ão duas soluções de acoplamento do motor ao veio

do camião. Seguidamente na secção 5.2 apresenta-se-á a estratégia de gestão de energia para o

sistema e na secção 5.3 será apontada a arquitetura e modelação do barramento. Por último, na

secção 5.4 demonstra-se-á a partir da simulação computacional no PSIM R©, o desempenho do

STR com sistema híbrido de armazenamento.

5.1 Projeto do Subsistema Mecânico

Um dos principais aspetos referenciados pelas empresas prende-se com o facto de que o sub-

sistema a instalar não provoque alterações à viatura. Pretende-se que este seja rápido e fácil de

aplicar, e que possa ser transferido para outros veículos não colocando em causa os contratos de

garantia e manutenção com as marcas. Este refere-se aos requisitos RS2.2, RS2.3 e RS2.4 da lista

enunciada na subsecção 3.4.2.

Neste sentido, para implementar o STR no veículo, é necessário transferir o movimento das

rodas ao rotor do motor elétrico. Esta potência só é possível ser extraída da cadeia de transmissão

do veículo, representada na figura 5.1. Nesta figura encontram-se identificados e, devidamente

75

76 Integração do Sistema e Desenvolvimento do Protótipo

enumerados, os pontos possíveis de captação do movimento, passando a análise do acoplamento

em cada um deles:

Grupo

Cónico

(diferencial)

1

1

2234

Figura 5.1: Planta da cadeia de transmissão do DAF FA75. 1- Semi-eixos, 2 - Veio com luvaentrada do diferencial, 3 - veio fico saída caixa, 4 - caixa de velocidades

1. Representa os semi-eixos que estabelecem ligação entre o grupo cónico e as rodas. Este

grupo cónico, para além de impôr uma relação de transmissão, funciona também como

diferencial mecânico. É um local de difícil acesso com pouca área disponível, e para além

disso os semi-eixos apresentam rotações e binários diferentes quando o veículo descreve

uma curva. Na perspetiva da implementação, a instalação só num dos semi-eixos provocaria

desiquilíbrios na distribuição de binários afetando a estabilidade do veículo. Doutra forma,

seria necessário a aplicação de um motor em cada semi-eixo com diferencial eletrónico,

aumentando assim os custos e a complexidade da solução.

2. Veio oscilatório que estabelece ligação entre a barra fixa de apoio de veios e o grupo cónico.

Num regime de travagem , a transmissão de potência dá-se no sentido das rodas para o motor

(1 a 4). Como tal, neste veio consideram-se as perdas do grupo cónico, cujo o rendimento

é da ordem dos 90%. Este veio tem a particularidade de oscilar com a suspensão, daí

a existência de cardã em cada uma das suas extremidades. Este movimento oscilatório

vertical, em torno do eixo posicionado na fixação de veios, dificulta a aplicação do motor,

que teria que acompanhar estas oscilações.

3. Neste ponto, evidencia-se o veio que estabelece ligação entre a caixa e o veio 2. Este

encontra-se fixo já que, não acompanha o movimento da suspensão do veículo, encontrando-

se a uma altura do chão suficiente para proteger o motor, respondendo ao requisito RS2.1.

Outra particularidade, é que a existência deste tipo de veio é comum em todos os veículos

rígidos, variando apenas o seu diâmetro. Esta localização apresenta uma área de trabalho

razoável e, além disso, é de fácil acesso, pelo que facilita o acondicionamento dos compo-

nentes do STR. O veio é rápido de desmontar, necessitando apenas de intervir na fixação

central dos veios 2 e 3.

5.1 Projeto do Subsistema Mecânico 77

4. A caixa de velocidades, do ponto de vista da implementação, revela-se uma solução inte-

ressante para acoplamento do motor. Contudo apresenta como desvantagem a variedade de

configurações existentes no mercado, a gama de rotações e um fator de risco elevado para a

própria caixa e para o veículo, em caso de falha ou bloqueio do motor elétrico.

Desta análise, o ponto que reúne as condições para captação e transmissão de binário às rodas

localiza-se no veio 3.

Outro aspeto fundamental é a análise da forma ou mecanismo que estabelece a ligação entre o

veio do camião e o motor elétrico do STR, possibilitando a transmissão de potência. Dado que o

veio não pode ser cortado, soldado, perfurado ou maquinado, a solução passa pelo atravancamento

do mecanismo ao veio, garantindo que o binário de aperto não provoque o seu esmagamento.

Desta forma, consideram-se duas soluções:

1 - Conjunto composto por corrente, cremalheira e pinhão. Um dos inconvenientes é a apli-

cação da cremalheira no veio, tendo por isso a necessidade de projetar um dispositivo de

fixação personalizado para esta aplicação. Este dispositivo depois de idealizado e projetado

foi modelado com o apoio do Eng.João Duarte no software de modelação computacional

3D SolidWorks. A peça modelada para o efeito, apresenta-se na figura 5.2.

Figura 5.2: Peça de aperto ao veio para suporte da cremalheira

Trata-se de uma peça em alumínio, com espessura de 20 mm, com furações para parafusos

M8. Como se pode observar pela figura, esta encontra-se preparada para suportar no seu

topo uma cremalheira e dimensionada em comprimento para suportar binários de aperto

elevados. Apresenta-se dividida em duas metades, dado que o objetivo será não desmontar

o veio, e desta forma a cremalheira necessitará também de ser cortada em duas metades.


Uma vez que o veio poderá atingir as 2263 rpm e o motor capaz de produzir um binário até

aos 160 Nm, estes dados aumentarão o grau de exigência no dimensionamento da corrente.

Este sistema necessita de lubrificação, de proteção contra poeiras e não apresenta bons de-

sempenhos e longo ciclos de vida para velocidades elevadas. Além disso, apresenta perdas

mecânicas e é barulhento.

2 - A segunda solução é composta por um sistema polias e correia. Trata-se de uma forma eficaz

de transmissão de potência e utiliza-se especialmente em velocidades elevadas. Não neces-

sita de lubrificação, é de fácil manutenção, apresentando-se como uma solução económica.

Pode ser usada sempre que exista (ou não) necessidade de sincronismo [32].

As correias podem ser classificadas em síncronas ou assíncronas cujo o princípio de trans-

missão de potência é o atrito entre polia e correia. Sendo um requisito desta aplicação o

sincronismo, opta-se por uma correia síncrona, também conhecida por correia dentada.

Uma particularidade na utilização de correias síncronas é facto que o passo dos dentes da

polia têm que estar metricamente alinhados com os dentes da correia. Ao cortar a polia nas

duas metades para aparafusar ao dispositivo projetado (figura 5.2) perde-se-á a garantia de

Figura 5.3: Esquema do acoplamento do STR. 1- Local de aplicação, 2 - Barra de suporte paramotor, 3 - Suporte central do veio


sincronismo e engrenagem entre os dentes da polia e os dentes da correia. Tal acontece por-

que, durante o corte, o diâmetro da polia é diminuído à espessura da serra, reduzindo assim,

o passo da mesma na zona de corte causando a necessidade de ajustamento do diâmetro

durante a fixação.

Desta forma, a solução projetada não se mostra rentável, sendo necessário partir para a

análise de um método de atravancamento diferente. Este consiste num dispositivo de fixação

de polias ao veio, denominado Tollok, que segue o principio de cunhagem ou aperto por

bucha.

Posto isto, e como se pode observar na figura 5.3, são apresentados os aspetos gerais desta

aplicação e intervenção:

• Aplicação de uma polia dentada síncrona na zona apontada pelo número 1 através de

um sistema de fixação de veios (esquematizado na figura que se encontra à esquerda

da foto), apertando a mesma contra o veio;

• Montagem do suporte do motor, figura 5.4, na zona apontada pelo número 2 em am-

bas as figuras, mais especificamente, nas longarinas do chassi traseiro com ajuste às

furações de origem, mantendo o eixo do motor paralelo ao veio do veículo;

• Desmontagem do conjunto destacado (pelo circulo amarelo) na figura 5.3 para desta

forma possibilitar a entrada da polia até à sua zona de aplicação (número 1).

Figura 5.4: Esquema de fixação do motor à barra do chassi

Este sistema de acoplamento já contempla duas funcionalidades essenciais para esta fase ex-

ploratória e de protótipo do conceito. Uma delas prende-se com o facto de desacoplar o motor

elétrico do veio sempre que necessário, bastando apenas desengrenar a correia da polia do motor


ou da polia do veio. A outra prende-se com o facto de ser possível estabelecer uma relação de

transmissão entre o motor e o veio, a partir da relação do número de dentes das polias. Desta

maneira, consegue-se pois, projetar o regime de funcionamento do motor para a gama de rotações

do veio.

Neste âmbito importa salientar que no dimensionamento de uma correia é necessário ter em

atenção aos seguintes aspetos [32]

• Potência do motor;

• Tipo de carga acionar e o fator de serviço;

• Condições de operação;

• Velocidades de motor e do veio do camião;

• Relação de transmissão;

• Número de dentes ou o diâmetro da polia dentada do motor e do veio da viatura;

• Distância entre centros das polias.

Figura 5.5: ,Eixo y: Velocidade da polia com menor tamanho [rpm]]Cálculo do passo métrico da correia.

Eixo x: Potência [kW], Eixo y: Velocidade da polia com menor tamanho [rpm] [33]

Através da análise do gráfico da figura 5.5 é possível definir o passo da correia. Para efetuar

um dimensionamento preciso da largura, do passo e do comprimento da mesma, com base na

nomenclatura apresentada na figura 5.6, deve calcular-se os vários parâmetros tal como os que são

apresentados na tabela 5.1.

Na tabela 5.1, os fatores c1, c2, c3, c4, c6err, k1 e k2 são obtidos por consulta do catálogo da

CONTItech [33]. Os outros valores são obtidos a partir das equações que podem ser consultadas

no anexo B secção B.1.


Figura 5.6: Esquema do sistema polias e correia [33]

Tabela 5.1: Parâmetros calculados para o dimensionamento da correia e polia

Parâmetros para dimensionamento da correiaPotência máx. do Motor (P) 60 kWRotação máx. Motor (n1) 3000 rpmRotação máx. do veio (n2) 2300 rpmDiâmetro da polia do veio (dwg) 178,25 mmDistância do centro (a) 400 mmmFator de carga (c2) 2Fator de aceleração (c3) 0,1Fator de fadiga (c4) 0,2Fator total de serviço (c0 = c2 + c3 + c4) 2,3Passo da correira 14 MRelação de transmissão (i = n1/n2) 1,38No de dentes (zm) e diâmetro da polia motor (dwk) zm = 29 , dwk = 129,23 mmNo de dentes (zv) e diâmetro da polia veio (dwg) zv = 40 , dwg = 178,25 mmComprimento da correia (Lc) 1260 mmArco de contacto em torno da polia do motor (β ) 172,97o

Número de dentes a engrenar (ze) ze = 13,93Fator de engrenagem no dente (c1) 1Fator de comprimento (c5) 0,8Requisito da largura da correia c6 > c6err c6err = 3,47 c6 = 3,7Largura da correia 37 mmFator de serviço para a correia com largura selecionada c0err 1,7Comprimento de vão livre (L f ) 399 mmFator inicial de carga (k1) 1,25Fator inicial de serviço (k2) 1,16Carga no eixo (Fv) 2960 NTensão extensão estática (Fstat) 2218 N


O resultado do dimensionamento aponta para a seleção de um a correia CTD 1260-C14M-37,

uma polia P 29-14M-37 e uma P 40-14M-37.

Um aspeto a ter em conta na aplicação e montagem deste conjunto é o alinhamento das polias

com a correia. Este deve ser rigorosamente paralelo, já que esta é uma condição prévia essencial

para que a correia tenha uma longa vida útil.

Desvios excessivos resultam numa distribuição não uniforme da tensão na secção transversal

da correia derivando esta no sentido de uma flange. Tal acontecimento provoca um aumento de

ruído e como tal qualquer desvio não deve exceder 0,5% da distância do centro.

Para distâncias maiores, deve ser assegurada que o ângulo exterior da cinta não ultrapasse um

valor equivalente a 0,25o por metro de distância do centro. Um desvio acima destes valor pode

causar a desengrenagem da correia.

Para a fixação da polia ao veio do camião é necessário dimensionar o dispositivo de fixação.

Este encontra-se ilustrado na figura 5.7b.

(a) Polia do veio [34]

(b) Dispositivo de fixação [35]

Figura 5.7: Esquemas da polia e do dispositivo de fixação de veios.

A instalação deste tipo de conjuntos de atravancamento exercem a pressão na superfície Pn,

entre o anel de exterior de aperto e a superfície do cubo. Para calcular o diâmetro mínimo DM

(largura do anel) deve ter-se em conta o seguinte procedimento:

K =

√

σ +(C.Pn)

σ − (C.Pn)DM = D.K (5.1)

Dependendo da forma do cubo e do comprimento em relação à dimensão L1 dos sistemas de

bloqueio o fator C deve ser considerado em função do tipo de aplicação.

5.2 Gestão do Sistema de Armazenamento 83

Tabela 5.2: Características da Polia dentada cega 40-14M

No. dentes R [mm] S [mm] e [mm] H [mm] Y [mm] Z [mm] W [mm]40 178,25 175,46 186 148 69 15 40

Desta análise resulta o atravancamento com as características apresentadas na tabela 5.3

Tabela 5.3: Características do tolok TLK401120x165

Binário Impulso Pressão PressãodxD L1 | L2 | B Aperto Binário Axial supf. veio supf.cubo[mm] [mm] Ms [Nm] Mt [mm] Fax[KN] pw [N/mm2] pn[N/mm2]

120x165 60 | 70 | 80 49 13100 218 80 59

5.2 Gestão do Sistema de Armazenamento

Este projeto combina diferentes formas de produção e armazenamento de energia, através dos

painéis fotovoltaicos, do STR e ainda a possibilidade de carregar as baterias a partir da rede. Estes

sistemas apresentam características e comportamentos distintos, pelo que, do ponto de vista do

projeto, a sua interação em simultâneo aumenta o grau de complexidade do controlo.

Desta forma, esta secção atribui ênfase à estratégia de gestão e controlo, com o propósito de

maximizar a autonomia do sistema frigorifico alimentado a partir do sistema projetado, e sem

recurso, em termos médios, do motor auxiliar de combustão.

PV BATERIA SCs STR

230 V+

- 0 V

CARGA

32 4 51

+ -

Figura 5.8: Esquema do sistema polias e correia [33]

A topologia proposta, figura 5.8, é modular e de controlo integrado, permitindo vários estados

de partilha de energia e informação entre as fontes, contribuindo para o aumento do desempenho

como também da flexibilidade deste sistema. As setas, na figura, mostram o sentido do fluxo de

energia, destacando-se apenas o fluxo unidirecional nos painéis fotovoltaicos, já que estes apenas

fornecem energia ao barramento.


Relativamente às baterias, tal como os ultracondensadores, apresentam a possibilidade de for-

necer e receber energia, para armazenar. A seta bidireccional no STR deve-se ao facto do PMSM

operar como gerador ou motor. A carga, que é representada genericamente por uma ficha trifá-

sica, que pode estabelecer ligação com a rede e ao mesmo tempo está preparada para estabelecer

ligação com sistema frigorifico. Uma vez que estabelece ligação à rede, a partir desta é possível

fornecer energia ao barramento para ser armazenada nas bateria e/ou nos ultracondensadores.

Este sistema apresenta múltiplas entradas e saídas. As topologias multiporto, abordadas na

secção 2.3.1 do capitulo 2, podem ser classificadas em duas categorias: conversor de acoplamento

magnético (CAM) e conversor de acoplamento elétrico (CAE). A topologia CAM oferece maior

flexibilidade para os níveis da tensão de saída e isolamento galvânico, mas os circuitos periféricos

são complexos, e do ponto de vista de implementação a partilha da carga pelas diferentes fontes

e elementos de armazenamento de energia é complicada. Em contrapartida, a topologia CAE

oferece menos flexibilidade nos níveis da tensão de saída, mas é modular, de baixo custo e mais

atrativa para aplicações automóveis [36].

O facto de partilha de uma massa comum (0 V) atribui mais escalabilidade e versatilidade ao

sistema, podendo ser integradas mais fontes e componentes de armazenamento com características

diferentes. Deste ponto de vista, a modelação e o controlo dos subsistemas pode ser efetuada por

controlo individual.

Ref_binário <0

Início

1

Sim

Não SOC SC

> 30%

Sim

Descarregar

SC

Ref_binário <0

Não

Fim

NãoFim

Figura 5.9: Diagrama da estratégia de gestão do barramento

5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC 85

Cada subsistema tem como funções a estabilização da tensão, a jusante do seu conversor, do

barramento DC e a regulação da potência de entrada, para aumentar o aproveitamento de ener-

gia. Pelo menos um deverá ser usado para estabilizar a tensão do barramento DC, sendo que os

restantes poderão contribuir para o controlo de fluxo de energia pela regulação das correntes de

entrada.

O controlo do sistema de forma integrada apresenta mais vantagens sobre um sistema distri-

buído convencional: primeiro porque os valores de referência e das variáveis de controlo podem

ser fornecidos para o controlo individual, sem propagação de atraso ou de erro; em segundo por-

que, é mais eficaz na aplicação em transições de estado.

Nesta abordagem é importante estabelecer a estratégia de controlo de forma a conseguir arma-

zenar o máximo de energia recuperada durante a travagem. Para isso estabeleceu-se o algoritmo

que garante a descarga dos SCs para as baterias, para que estes estejam preparados a receber os

picos energéticos de uma nova travagem. A figura 5.9 mostra o algoritmo que garante esta partilha

fora dos regimes de travagem. Na figura, o circulo com o numero 1 representa o estado em que os

SCs absorvem o máximo de corrente até atingirem o estado de carga máximo. Este aspeto pode

ser observado nos resultados de simulação apresentados neste capítulo.

Para esta abordagem ser efetiva, é necessário dotar o sistema de um controlador do barramento

CC, que é analisado de seguida.

5.3 Modelação e Controlo do Barramento CC

Como foi discutido anteriormente, cada subsistema apresenta especificações diferentes condu-

zindo ao seu controlo de forma independente. A interface entre estes com o barramento é estabele-

cida pelas unidades básicas de conversão, analisadas previamente no estado da arte ( 2.3.1). Neste

caso, aplica-se o conversor buck-boost de dois quadrantes como será apresentado de seguida.

A partir deste, é possível construir várias arquiteturas para o barramento, apresentando-se duas

análises diferentes.

5.3.1 Conversor CC/CC

O conversor CC/CC de dois quadrantes, figura 5.10, possibilita o fluxo de corrente nos dois

sentidos, mantendo a tensão sempre positiva. No sentido da fonte para a carga o conversor CC/CC

funciona como elevador de tensão (boost), funcionando como abaixador de tensão (buck) no sen-

tido oposto, permitindo utilizar fontes de tensão nominal inferior à tensão necessária no barra-

mento. O IGBT2 e o diodo D1 constituem o conversor boost, enquanto o IGBT1 e o diodo D2

constituem o conversor buck, sendo ambos os conversores controlados simultaneamente, alter-

nando os IGBT1 e IGBT2 entre si no estado de fecho e abertura, durante intervalos de tempo bem

definidos [37].

Relativamente ao controlo dos IGBTs, o erro verificado entre a referência pretendida e a ten-

são contínua no barramento, é aplicado num controlador PI, originando um sinal que comparado


Figura 5.10: Conversor CC dois quadrantes

com uma portadora, origina os pulsos de comando do IGBT (modulação por largura de impulso).

Quanto maior o erro verificado, maior a largura dos pulsos de comando do IGBT2, e consequen-

temente menor será a largura dos pulsos de comando do IGBT1.

A relação de tensão entrada-saída para o funcionamento do conversor como elevador, pode ser

obtida recorrendo à relação entre a corrente e a tensão na bobina, expressão 5.2. Considerando a

aproximação 5.3, e para o intervalo t = t1, tem-se a expressão 5.4 relativa à variação de corrente

na bobina I = I2 – I1. Para o intervalo t = t2, a variação de corrente na bobina é dada por 5.5.

VL = Ldil

dt(5.2)

diL

dt≈ ∆I

∆t(5.3)

∆I =Vf onte

Lt1 (5.4)

∆I =−Vf onte −VDC

Lt2 (5.5)

Igualando 5.4 a 5.5, e sabendo que t1 = L2T e t2 = (1−L2)T , tem-se a relação 5.6 entre a

tensão da fonte e a tensão contínua no barramento, dependente da largura dos pulsos de comando

do IGBT2, L2.

VDC =Vf onte

(1−D2)(5.6)

No funcionamento do conversor buck, recorrendo a 5.2 e à equação 5.3, tem-se para os

intervalos t = t1 e t = t2 respetivamente as expressões 5.7 e 5.8. Da igualdade entre estas e para

t1 = (1−L1)T e t2 = L1T , tem-se 5.9, dependente da largura dos pulsos de comando do IGBT1.


Alternando os IGBT1 e IGBT2 entre si no estado de fecho e abertura, a relação entre as larguras

dos pulsos de comando destes é dada por 5.10, permitindo concluir que independentemente do

modo de funcionamento do conversor CC/CC, elevador ou abaixador, a tensão da fonte e a tensão

contínua no barramento mantêm-se aproximadamente constantes e com uma relação bem definida

entre elas.

∆I =Vf onte

Lt1 (5.7)

∆I =VDC −Vf onte

Lt2 (5.8)

Vf onte = D1.VDC (5.9)

D1 = 1−D2 (5.10)

5.3.1.1 Dimensionamento da bobine

No dimensionamento da bobina pode ser considerado tanto o funcionamento do conversor nos

dois modos, sendo idênticos os resultados obtidos. Optando pelo modo boost, a partir de 5.4 e 5.5

é possível determinar o período e frequência de controlo dos sinais de comando dos IGBTs, 5.10

e 5.11. Resolvendo em ordem a L, tem-se a expressão de cálculo da bobina, 5.13, dependente

das tensões de entrada e saída do conversor, frequência de controlo e ondulação na corrente

T = t1 + t2 = I∆IVDC

Vbat(VDC −Vf onte)(5.11)

f =1T

=1

L∆I

V f onte(VDC −Vf onte)

VDC

(5.12)

L =Vf onte(VDC −Vf onte)

∆I. f .VDC

(5.13)

5.3.1.2 Dimensionamento da Condensador

No dimensionamento do condensador de saída C apenas tem interesse o funcionamento como

elevador. Estando o IGBT2 em condução, o conversor encontra-se dividido em dois circuitos,

sendo a tensão de saída mantida pelo condensador C, que descarrega parte da energia armazenada,

diminuindo o nível de tensão, sendo negativa a corrente através deste. A tensão na carga mantém-

se positiva, assim como a corrente que durante este intervalo é igual à corrente no condensador.

Quando IGBT2 está em corte, parte da corrente da bobina L carrega o condensador, aumentando

o seu nível de tensão.


Considerando reduzida a variação na tensão de saída, a corrente na carga pode ser considerada

constante em termos do seu valor médio. Resolvendo em ordem a C, tem-se a expressão de cálculo

do condensador de saída, pode ser definida em função da frequência de controlo dos IGBTs, 5.14:

C =Vsaida

∆Vsaida

D2

f .Zeq

(5.14)

A largura dos pulsos de comando do IGBT2, D2, pode ser calculada segundo 5.6.

5.3.2 Arquitetura do Barramento

Analisado o conversor que possibilita a ligação das várias fontes de produção e armazenamento

de energia ao barramento CC, nesta secção destaca-se o estudo da arquitetura que dá resposta aos

requisitos do sistema.

No projeto da arquitetura do barramento, tendo em conta os custos, peso e o volume da imple-

mentação, inicialmente, considerou-se o recurso a um único conversor.

Figura 5.11: Esquema da arquitetura do barramento, seleção de fontes

Desta forma, apresenta-se a tipologia da figura 5.11. Esta baseia-se na seleção das fontes

que estão ligadas a um conversor bidireccional comum, por um par de IGBTs com um diodo

em paralelo para que não ocorra curto-circuito entre elas. Esta arquitetura permite que a tensão

nominal das fontes seja inferior à tensão do barramento CC, reduzindo os custo de implementação

e complexidade ao nível do balanceamento das células de bateria e SCs. O conversor opera no

modo elevador quando as fontes fornecem energia à carga, e no modo redutor quando a travagem

regenerativa é acionada, carregando as baterias e os SCs [38]. Como se pode comprovar na análise

dos resultados em 5.4.1 a partilha de energia entre as fontes só é possível caso estas se encontrem

à mesma tensão, reduzindo a flexibilidade na escolha do tipo de fontes a utilizar. Por este motivo,


PV BATERIA SCs STR

230 V+

- 0 V

CARGA

32 4 51

+ -

F1 F2 F3 F4

Controlo

Tensão

D1 D2 D3 D4

V_referência

+

+ +++

-

-- - -

Gi1 Gi2 Gi3 Gi4

Gv

F5

+

-

D5

Figura 5.12: Sistema integrado de controlo de barramento

e prestigiando a flexibilidade e facilidade de controlo do sistema optou-se pela solução que se

apresenta de seguida, figura 5.13.

Esta configuração é constituída por dois conversores buck-boost bidireccionais, um conversor

boost unidirecional ligado aos painéis, e dois inversores trifásicos ligados ao STR e à carga, res-

petivamente. Desta forma, é possível implementar um controlo integrado, ilustrado na figura 5.12,

em que Gv é o ganho do sensor de tensão do barramento, Gix é o ganho do sensor de corrente,

Fx representa a seleção das fontes e Dx é o bloco com o controlo de corrente que fornece o ganho

para a modelação do PWM, em que x= 1,2,3,4,5.

Como mostra o diagrama da figura 5.12, a tensão do barramento é medida pelo sensor e com-

parada com a tensão de referência. Desta comparação resulta o erro que é amplificado pelo con-

trolador de tensão para gerar a referência de corrente. Esta referência de corrente é programada

para cada F , individualmente, de acordo com a estratégia de gestão de energia e controlo do bar-

ramento. Desde que cada referência de corrente para cada controlador de corrente é diferente, a

corrente em cada bobine pode ser controlada precisamente para a potência em despacho. Se não

for pedida nenhuma potência pela carga, então a energia pode ser partilha entre as fontes. O con-

trolo de cada F permite estabelecer a fonte responsável pela tensão do barramento, enquanto as

outras controlam a corrente a entregar à carga.


Na figura 5.12 é apresentado todo o sistema dando-se a perceber a escalabilidade do mesmo,

pois é um requisito e um fator importante para a escolha desta topologia. Desta forma, e estando

preparada para a integração de vários subsistemas, numa fase de protótipo e para esta dissertação

só será analisado em detalhe a integração do STR com o sistema híbrido de armazenamento,

concretamente a figura 5.13.

Figura 5.13: Esquema da arquitetura do barramento adotado

5.4 Desempenho do Sistema Integrado

Uma vez que os subsistemas foram dimensionados e projetados de forma isolada, a integração

dos mesmos provoca alterações na sua dinâmica. Desta forma, observar o comportamento das va-

riáveis, tais como o binário produzido pelo PMSM, tensão do barramento e ondulação da corrente

nos SCs e baterias, é fundamental para validação do sistema.

Recorrendo ao software PSIM R©, implementou-se a arquitetura do barramento apresentada

anteriormente, com os conversores dimensionados de acordo com os parâmetros que se apresen-

tam na tabela 5.4. A sintonização do controlador de tensão e corrente seguiram o procedimento

mencionado no capítulo 4, subsecção 4.2.4. O bloco de código desenvolvido incorpora a estratégia

de seleção das diferentes fontes, tal como apresentado no algoritmo da figura 5.9.

Tabela 5.4: Parâmetros utilizados na simulação do barramento

ParâmetrosTensão do Barramento: 230 V kg

Tensão da bateria: 50 VTensão dos SCs: 50 VTensã dos PVs: 50 V

Vpk/Krpm: 96

5.4.1 Resultados de Simulação Computacional

Esta subseção reúne os resultados da simulação desenvolvida no software PSIM R©. Desta

forma, monstra-se o binário produzido pelo motor durante a travagem, tendo mais uma vez em

5.4 Desempenho do Sistema Integrado 91

atenção a ondulação do binário e a dinâmica da resposta à variação da referência em degrau.

Do ponto de vista da transferência da potência para as baterias e/ou SCs, deve garantir-se um

bom comportamento da corrente e da tensão do lado dos sistemas de armazenamento, mantendo

a tensão do barramento de acordo com a referência. Por este motivo procede-se à análise do

comportamento da tensão no barramento, e à evolução da corrente e da tensão nas baterias e no

SCs.

Figura 5.14: Resultados da simulação do barramento com seleção de fontes

Figura 5.15: Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação em travagemregenerativa

Na figura 5.14 apresenta-se os resultados da simulação da arquitetura do barramento ilustrado

na figura 5.11, representado no inicio da subseção 5.3.2. Pela análise das variáveis depreende-se


que este responde funcionalmente à estratégia de controlo sem comprometer o desempenho do

STR.

Dado que a arquitetura adotada foi a segunda solução apresentada, os esforços de simulação

concentram-se nesta última. A partir da observação dos gráficos das figuras 5.15 e 5.15 é possível

observar a tensão no barramento, que se mantém nos 230V tal como pretendido, e a carga dos SCs

quando o estado de carga dos mesmos é inferior a 100%. Durante a carga, a corrente comporta-

se de acordo com o dimensionamento com uma ondulação de 20%. Outro aspeto importante é

a passagem da energia para as baterias, assim que os SCs atingem o estado de carga máxima,

mantendo-se a tensão do barramento em torno dos 230V.

Figura 5.16: Resultados da simulação do barramento adotado, durante a operação do sistema emtravagem regenerativa dinâmica

5.5 Conclusão

Neste capítulo foi projetada a solução de acoplamento e integração do STR no camião DAF.

Esta solução mecânica mostra-se adequada ao projeto, cumprindo todos os requisitos. Os efei-

tos previstos para esta implementação consideram-se mínimos, dada a sua ordem de grandezas,

que comparativamente às que o veículo suporta mostram-se reduzidas. Por conseguinte, e para

que a passagem de um contexto académico para a situação real de validação e experimentação

do sistema se efetue com sucesso, foi crucial o parecer do Professor José Ferreira Duarte, da

HarkerSumner R© e da Evicar R©, representante da DAF R© em Portugal, pois a solução foi vali-

dade na presença deste último.

Por último, foi apresentada a arquitetura do barramento que possibilita a integração dos dife-

rentes subsistemas de armazenamento e produção de energia, cumprindo o requisito de escalabili-

dade que abre caminho ao desenvolvimento do protótipo.

Capítulo 6

Conclusões

O presente e último capítulo desta dissertação apresenta as conclusões e os desenvolvimentos

futuros para o projeto.

6.1 Conclusões da Dissertação

O trabalho desenvolvido no âmbito da presente dissertação teve por base o estudo e análise

dos ciclos de funcionamento de VPs de mercadorias com sistema de refrigeração e plataforma

elevatória, mais concretamente um camião DAF FA CF75.

O estudo pormenorizado das variáveis associadas a esta viatura e as relações entre estas foram

cruciais na compreensão e no projeto do sistema.

Como resultado dessa análise foi concetualizada a arquitetura que motivou o desenvolvimento

deste trabalho de mestrado. Esta, pelo seu caracter inovador, apresenta um enorme potencial de

aplicação abrindo a possibilidade de revolucionar futuramente, o papel dos VPs na economia e na

rede elétrica.

Este conceito compreende a hibridização de diferentes tipos de sistemas de produção e apro-

veitamento de energia, nomeadamente, produção fotovoltaica, recuperação de energia durante a

travagem, e a hibridização das baterias com os Ultracondensadores. A interface com a rede elé-

trica amplifica os modos de operação e versatilidade do conceito, tornando o camião uma carga

significativa para a rede ou um potencial fornecedor de energia limpa.

Atribuiu-se principal destaque à análise do sistema de travagem regenerativa, pela sua com-

plexidade e pela dependência do sistema de travagem mecânica e da dinâmica e estabilidade do

veículo. O acoplamento deste subsistema no camião foi um requisito que mereceu o esforço

de abordagem numa área distinta da eletrotécnica (área mecânica), possibilitando a validação e

acreditação do conceito. Esta solução mostrou-se adaptável em qualquer veículo rígido, sendo

necessário um esforço reduzido de implementação apresentando consequentemente, baixo grau

de invasibilidade e risco para a viatura.

A gestão dos fluxos de energia entre as fontes, o sistema de armazenamento e as cargas fo-

ram incorporadas numa arquitetura de barramento flexível à utilização de diferentes subsistemas.

93

94 Conclusões

O recurso a ferramentas de simulação mostrou-se também, indispensável no desenvolvimento e

avaliação do projeto. Desta forma, permitiu analisar o desempenho dos sistemas em regimes críti-

cos. Os resultados obtidos foram motivadores e irão contribuir para a confiança na construção do

protótipo.

A realização desta dissertação possibilitou o desenvolvimento de diversas competências, im-

postas pela realização do projeto com vista à implementação e integração em sistemas reais com

um vetor de limitações técnicas e sociais que iterativamente tiveram que ser ultrapassados. Si-

multaneamente, este processo contribuiu para a consolidação dos conhecimentos, para o rigor e

diversidade de conceitos que melhoraram a minha perspetiva e habilidade no uso das ferramentas

que este curso me proporcionou.

Com isto, e analisando todo o trabalho desenvolvido, pode afirmar-se que foram atingidos

os objetivos inicialmente traçados, mediante os recursos disponíveis, e tendo por base a melhor

evidência científica disponível sobre o tema em questão.

Finalizando, a elaboração deste projeto constitui, indubitavelmente, para o meu desenvolvi-

mento não só a nível profissional, enquanto mestrando, como também a nível pessoal, pelo viven-

ciar realidades e participação em determinadas atividades inerentes à sua concretização.

6.2 Desenvolvimentos Futuros

Apesar dos objetivos da dissertação terem sido atingidos, esta deixa em aberto inúmeras pos-

sibilidades de inovar e melhorar o que foi desenvolvido. Desta forma, como trabalhos futuros

apresentam-se:

1. Análise e estudo pormenorizado dos consumos de energia e do comportamento do sistema

frigorifico;

2. O estudo e desenvolvimento de um sistema de aproveitamento de energia a partir das osci-

lações da suspensão pneumática do veículo;

3. O projeto e desenvolvimento de uma estrutura portável que suporte os painéis fotovoltaicos

preparada para operar como seguidor solar, quando o veículo estiver estacionado. Esta pode

ser implementada com recurso ao circuito de ar comprimido comum nos VPs;

4. Implementação de um controlador de lógica difusa para o cálculo da referência de binário

do STR, uma vez que foi apresentado o algoritmo que compreende as regras para imple-

mentação de um fuzzy. Substituição dos controladores PI por controladores de lógica difusa

ou redes neuronais, que permitissem atingir a solução ótima;

5. Melhorar o controlo e estratégia de gestão do barramento considerando a operação da carga

em regimes de operação próximos dos do sistema frigorifico;

6. Validação experimental dos resultados teóricos alcançados, através da construção de um

protótipo;

7. Implementação dos pontos referidos na subsecção 3.4.3 do capítulo 3.

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95

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98 REFERÊNCIAS

100 Tabelas

Anexo A

Tabelas

A.1 Ciclos de Condução

Tabela A.1: Características do ciclo de condução

Parâmetros de operação

Total de dias de operação Distancia percorrida

26 4416 km

Total no de Ignições ON Total no de ignições OFF

459 454

Tempo de Funcionamento Tempo Estacionado

106h31m26s 598h59m51s

Tempo funcionamento do Motor Tempo ao ralenti

101h25m09s 17h30m24s

Tempo em marcha Tempo parado

83h55m33s 22h35m53s

Tempo em marcha de inércia Total de atuações do acelerador

10h31m18s 23848

Numero de acelerações bruscas Tempo em excesso de acelerações

55 56s

Numero de excesso de rotações Tempo excesso de rotações

58 00h03m34s

Total de atuações da embreagem Total de atuações do travão

9782 13154

Numero de travagens bruscas Tempo de excesso de travagens

85 00h01m33s

Tempo de condução em Cruise Control Consumo efetivo em Cruise Control

5h30m22s 113 Litros

Distancia percurso inércia Consumo efetivo em Litros

535 km 1169 Litros

Velocidade média Consumo médio

41.45 km/h 27.39 L/100km

A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio 2013 101

A.2 Dados de operação do sistema frigorifico durante o mês de Maio

2013

Tabela A.2: Características do ciclo de condução

Data Horas totais de Funcionamento Litros abastecidos10-05-2013 9:15 7396 9013-05-2013 14:38 7421 6017-05-2013 07:29 7434 5020-05-2013 08:08 7455 5823-05-2013 15:04 7471 5127-05-2013 09:08 7494 7030-05-2013 15:38 7507 3603-06-2013 15:04 7527 69

102 Tabelas

Anexo B

Fórmulas

B.1 Dimenisonamento da correia

Comprimento da correia:

Lc ≈ 2.a+t

2.(zv + zm)+

[ tπ .(zv − zm]

2

4.a(B.1)

Arco de contacto em torno da polia de menor dimensão, neste caso da polia do motor:

β = 2.arcos[t.(zv − zm)

2.π.a] (B.2)

Fator de engrenagem do dente da correia na polia do motor:

ze = zm.β

360(B.3)

Cálculo da largura da correia:

C6 =P.c0

PN .c1.c5C6 ≥C6err (B.4)

Novo fator de serviço após seleção da largura da correia:

c0err =PN .c6.c1.c5

P(B.5)

Tensão na correia:

103

104 Fórmulas

Fv = k1.K2.60.106.P.sin

β2

t.zk.nk

(B.6)

Tensão estática:

Fstat =Fv

2.sinβ2

(B.7)

Vão de correia livre:

L f = a.sinβ

2(B.8)

recuperação de energia em veículos pesados

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