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SIMULAÇÃO DA PERFORMANCE E OTIMIZAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO DE
UM VEÍCULO HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL: TOYOTA
MIRAI
Raphael Kruczan
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Silvio Carlos Aníbal de Almeida
Rio de Janeiro
Janeiro de 2019
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Mecânica Po.,1écn!Ca • COPPE
UFRJ
Departamento de Engenharia Mecânica
D EM/POLI/UFRJ Univl'fsidade t:=eder.1l
do Rio de Janeiro
Escola r'olitêcnica
SIMULAÇÃO DA PERFORMANCE E OTIMIZAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO DE
UM VEÍCULO HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL: TOYOTA
MIRAI
Raphael Kmezan
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Examinado por:
Prof Si]vio Carlos de Aníbal de Almeida, D.Se.
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz, D. Se.
Prof. Juliana Ba� Loureiro, D.Se.
RIO DE JANEIRO, RJ-BRASIL
JANEIRO DE 2019
iii
Kruczan, Raphael
Simulação da performance e otimização da configuração
de um veículo híbrido propelido a célula a combustível: Toyota
Mirai/Raphael Kruczan – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola
Politécnica, 2019.
XIII, 91 p.: il.; 29,7 cm
Orientador: Silvio Carlos de Anibal de Almeida
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográficas: p. 88 – 91.
1. Veículos elétricos. 2. Célula a combustível. 3. Grau de
Hibridização. I. Almeida, Silvio Carlos Anibal. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Mecânica. III. Título.
iv
Agradecimentos
Agradeço, primeiramente, à minha família. Aos meus pais, Mario e Eva que me apoiaram
incondicionalmente nessa jornada e fizeram todo o esforço para que eu me concentrasse
exclusivamente aos estudos. Agradeço aos meus irmãos, Marcel e Alan, que são engenheiros
exemplares e referências para mim.
Agradeço aos professores da UFRJ com quem tive contato por todos os conhecimentos
compartilhados e pela dedicação ao ensino. Em especial ao Prof. Silvio Carlos pelos vastos
ensinamentos e pelo apoio como orientador deste projeto.
Agradeço aos meus diversos amigos que tornaram a minha jornada na graduação mais agradável
e os quais espero levar ao longo da minha vida. Em especial, Pedro Hawk, Felipe Vieira, Maria
Eduarda, Bruno Pitta, Maria Kovashikawa, Victor Ferreira, Sofia Euthymiou, Raphael Machado e
Pedro Henrique Cardoso que sempre me deram forças nos anos de graduação.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SIMULAÇÃO DA PERFORMANCE E OTIMIZAÇÃO DA CONFIGURAÇÃO DE UM
VEÍCULO HÍBRIDO PROPELIDO A CÉLULA A COMBUSTÍVEL: TOYOTA MIRAI
Raphael Kruczan
Janeiro/2019
Orientador: Silvio Carlos de Anibal de Almeida
Curso: Engenharia Mecânica
O objetivo deste trabalho foi simular a performance de um veículo híbrido propelido a célula a
combustível. O veículo estudado foi o Toyota Mirai 2016/2017 e a simulação foi feita através
ferramenta computacional Advisor.
Numa primeira fase, os resultados da simulação foram comparados com os resultados disponíveis
pelo fabricante e pelas agências reguladoras. Os resultados obtidos (consumo de combustível,
tempo de aceleração, velocidade máxima) na simulação apresentaram desvios mínimos com
relação aos dados experimentais. Posteriormente, foram feitas alterações na configuração original
de forma a melhorar a sua performance e diminuir os custos de fabricação.
Dessa forma, foi estudado o impacto da variação do grau de hibridização na performance do
Toyota Mirai. Os resultados dessas simulações mostraram que é possível se obter uma diminuição
do consumo de combustível e reduções no tempo de aceleração devido ao aumento do grau de
hibridização do veículo.
Outro estudo realizado foi a alteração da bateria padrão do Toyota Mirai, de NiMH, para uma de
Li-ion, que são as baterias mais utilizadas nos novos veículos elétricos. Novamente, os resultados
das simulações apontaram ganhos de performance.
Por fim, foi realizada a análise econômica para avaliar os custos de produção, venda e operação
do veículo, tendo em vista as diferentes propostas apresentadas. Os resultados mostraram
expressiva redução de custos de produção combinada à diminuição das despesas com combustível,
se realizado o aumento do grau de hibridização proposto. Os resultados da alteração da bateria
para Li-ion também exibiram redução líquida de custos totais ao consumidor.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a partial fulfilment of the
requirements to obtain the degree of Mechanical Engineer.
SIMULATION OF PERFORMANCE AND CONFIGURATION OPTIMIZATION TO A
HYBRID VEHICLE PROPELLED TO FUEL CELL: TOYOTA MIRAI MIRAI
Raphael Kruczan
January/2019
Advisor: Silvio Carlos de Anibal de Almeida
Course: Mechanical Engineering
The aim of this work was to simulate a hybrid vehicle propelled to fuel cell. The studied vehicle
was the Toyota Mirai 2016/2017 and the simulation was ran by the computional tool Advisor.
In the first phase, the simulation results were compared to the available results from the
manufacturer and the regulatory agencies. The simulation results (fuel consumption, acceleration
time and maximum speed) presented minimum deviations in relation to the experimental data.
Subsequently, changes were proposed to the original configuration in order to improve vehicles
performance and reduce its production costs.
Therefore, the impact of hybridization degree variation to Toyota Mirai performance was studied.
The simulation results showed that it is possible to achieve a decrease in fuel consumption and a
reduction in the acceleration time due to an increase in vehicle hybridization degree.
Another study was the replacement of the Toyota Mirai standard NiMH battery to Li-ion which
are most common batteries on new electric vehicles. Again, the simulation results pointed to
performance gains.
Finally, an economic analysis was developed to evaluate vehicles production, sales and operational
costs through the different proposals. The results have shown expressive production cost reduction
combined with fewer fuel expenses through the increase in the hybridization degree. The results
of the battery replacement to Li-ion also presented net reductions in total costs to consumers.
vii
Sumário
Lista de Figuras .............................................................................................................................. ix
Lista de Tabelas ............................................................................................................................. xi
Lista de Abreviaturas e Siglas....................................................................................................... xii
Lista de Símbolos ......................................................................................................................... xiii
1. Introdução ............................................................................................................................... 1
1.1. Objetivo ............................................................................................................................ 1
1.2. Metodologia ..................................................................................................................... 1
2. Conceitos fundamentais .......................................................................................................... 3
2.1. Veículos elétricos ............................................................................................................. 3
2.2. Veículos elétricos híbridos com célula a combustível (FCHEV) .................................... 4
2.3. Célula a combustível ........................................................................................................ 5
2.3.1. Tipos de células a combustível ................................................................................. 7
2.3.2. Operação da célula a combustível em FCHEVs ....................................................... 7
2.4. Baterias veiculares............................................................................................................ 9
2.4.1. Conceitos básicos .................................................................................................... 11
2.4.2. Tipos de baterias para veículos elétricos ................................................................ 13
2.5. Ciclos de condução......................................................................................................... 16
2.5.1. Ciclo UDDS ............................................................................................................ 17
2.5.2. Ciclo HWFET ......................................................................................................... 18
2.5.3. Ciclo Combinado .................................................................................................... 19
2.6. FASTSim ........................................................................................................................ 19
2.7. Advisor ........................................................................................................................... 20
2.7.1. Introdução ............................................................................................................... 20
viii
2.7.2. Interface .................................................................................................................. 20
3. Estudos de caso: Toyota Mirai .............................................................................................. 26
3.1. Descrição ........................................................................................................................ 26
3.2. Dados de entrada da simulação ...................................................................................... 29
3.2.1. Bateria ..................................................................................................................... 29
3.2.2. Célula a combustível ............................................................................................... 31
3.2.3. Estratégias de controle ............................................................................................ 31
3.2.4. Peso da carroceria ................................................................................................... 33
3.3. Resultados de validação ................................................................................................. 37
4. Proposta de novas configurações veiculares ......................................................................... 49
4.1. Estudo de hibridização ................................................................................................... 49
4.1.1. Limites de hibridização ........................................................................................... 50
4.1.2. Avaliação de performance ...................................................................................... 55
4.2. Estudo de alteração de bateria ........................................................................................ 64
5. Análise Econômica ............................................................................................................... 72
5.1. Condições de operação e vida útil .................................................................................. 72
5.2. Custos ............................................................................................................................. 74
5.3. Preço de mercado ........................................................................................................... 77
5.4. Influências do grau de hibridização ............................................................................... 79
5.5. Tipos de baterias............................................................................................................. 83
6. Conclusões ............................................................................................................................ 86
7. Bibliografia .......................................................................................................................... 88
Apêndice A – Dimensões e disposição do banco de baterias do Toyota Mirai ............................ 92
ix
Lista de Figuras
Figura 2.1. Diagrama com fluxos de energia de um FCHEV [1]. .................................................. 5
Figura 2.2: Estrutura básica de uma célula a combustível [2] ........................................................ 6
Figura 2.3: Esquema para controle de operação da célula a combustível de um FCHEV. [1] ....... 8
Figura 2.4: Células, módulos e packs de baterias [6] ..................................................................... 9
Figura 2.5: Ilustração da célula eletroquímica [7] ........................................................................ 10
Figura 2.6: Curvas Ragone [15] .................................................................................................... 15
Figura 2.7: Ciclo UDDS [16] ........................................................................................................ 17
Figura 2.8: Ciclo FTP-75 [16] ...................................................................................................... 18
Figura 2.9: Ciclo HWFET [16] ..................................................................................................... 18
Figura 2.10: Interface inicial do Advisor ...................................................................................... 21
Figura 2.11. Segunda tela de interface do Advisor ....................................................................... 22
Figura 2.12. Tela de configuração do teste de aceleração no Advisor ......................................... 23
Figura 2.13. Tela de configuração do teste de capacidade de subida em rampa no Advisor ....... 24
Figura 2.14. Tela de resultados do Advisor .................................................................................. 25
Figura 3.1. Comparação entre potência máxima do banco de baterias, estipulada pelo Advisor, para
entradas de 6,5 e 18 Ah, respectivamente. .................................................................................... 30
Figura 3.2. Curva de eficiência da célula a combustível do modelo. ........................................... 32
Figura 3.3. Consumo de combustível em função da Potência de operação célula a combustível. 32
Figura 3.4. Interface do Advisor para as entradas do veículo. ...................................................... 35
Figura 3.5. Tela do Advisor para definição de condições iniciais de operação. ........................... 36
Figura 3.6. Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 1 ciclo HWFET. .......................... 38
Figura 3.7. Potência disponível (W) para o motor elétrico na simulação de 1 ciclo HWFET. .... 39
Figura 3.8. Funcionamento da célula combustível simulada em 1 ciclo HWFET. ...................... 40
Figura 3.9. Potência fornecida pela bateria (W) em 1 ciclo HWFET. .......................................... 41
Figura 3.10. Consumo de H2 em litros. ......................................................................................... 42
Figura 3.11. Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 1 ciclo UDDS. ........................... 43
Figura 3.12. Potência disponível (W) para o motor elétrico na simulação de 1 ciclo UDDS. ..... 44
Figura 3.13. Funcionamento da célula a combustível e da bateria simuladas em 1 ciclo UDDS. 45
x
Figura 3.14: Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 30 ciclos HWFET. ..................... 46
Figura 3.15: Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 30 ciclos UDDS. ........................ 46
Figura 4.1. Aba do Advisor para teste de capacidade de subida em rampa. ................................. 52
Figura 4.2. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida em rampa. .............. 54
Figura 4.3 Telas de saídas do Advisor para simulações de diferentes graus de hibridização diante
de 30 ciclos HWFET. .................................................................................................................... 58
Figura 4.4 Telas de saídas do Advisor para simulações de diferentes graus de hibridização diante
de 30 ciclos UDDS........................................................................................................................ 61
Figura 4.5. Curva de eficiência da célula a combustível para diferentes simulações. .................. 62
Figura 4.6. Telas de saída do Advisor para a simulação do Toyota Mirai com alteração para a
bateria de Li-ion. ........................................................................................................................... 65
Figura 4.7. Resultados do Advisor para eficiência dos tipos de bateria simulados. ..................... 66
Figura 4.8. Telas de saída do Advisor para a simulação do Toyota Mirai com grau de hibridização
de 70,0% e alteração para a bateria de Li-ion. .............................................................................. 68
Figura 4.9 Consumo de energia pela célula a combustível em kWh para diferentes configurações
veiculares. ..................................................................................................................................... 70
Figura 4.10. Tempo de aceleração de 0-60 mph em função do grau de hibridização e do tipo de
bateria. ........................................................................................................................................... 71
Figura 5.1. Decomposição do preço sugerido de venda por componente (%). ............................ 78
Figura 5.2. Estimativas de custos discriminados por componentes do Toyota Mirai. .................. 81
Figura 5.3. Custos resumidos do Toyota Mirai ao consumidor. ................................................... 82
Figura 5.4. Comparativo de custos para diferentes configurações de bateria e graus de hibridização.
....................................................................................................................................................... 84
Figura 5.5 Preço estimado de venda somado às despesas com combustível a valor presente em
função do grau de hibridização. .................................................................................................... 85
Figura A.1. Vista de topo do Toyota Mirai [29] ........................................................................... 93
xi
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Tipos de baterias utilizadas em amostra de veículos elétricos. ................................... 14
Tabela 3.1: Dados do Toyota Mirai. ............................................................................................. 27
Tabela 3.2. Configurações de entradas da bateria no Advisor ...................................................... 29
Tabela 3.3. Configurações de entradas modificadas da bateria no Advisor ................................. 30
Tabela 3.4. Entradas da simulação do Toyota Mirai no Advisor. ................................................. 34
Tabela 3.5. Condições iniciais de operação. ................................................................................. 36
Tabela 3.6. Dados de performance do Mirai disponibilizado pela Toyota ................................... 47
Tabela 3.7. Validação da simulação do Toyota Mirai. ................................................................. 48
Tabela 4.1. Dados de Entrada das simulações de grau de hibridização do Toyota Mirai. ........... 53
Tabela 4.2. Resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa. ................... 55
Tabela 4.3. Resultados de performance das simulações de hibridização do Toyota Mirai. ......... 63
Tabela 4.4. Comparativo das simulações do Toyota Mirai para diferentes HDs e tipos de bateria.
....................................................................................................................................................... 69
Tabela 5.1. Hipóteses de condições de operação e vida útil adotadas .......................................... 74
Tabela 5.2. Hipóteses de custos .................................................................................................... 76
Tabela 5.3. Elaboração do preço sugerido de venda do Mirai a partir das hipóteses definidas. .. 77
Tabela 5.4. Elaboração de custos do Mirai ao consumidor final .................................................. 79
Tabela 5.5. Elaboração de custos do Toyota Mirai para diferentes graus de hibridização ........... 80
Tabela 5.6. Elaboração de custos do Mirai para diferentes configurações de bateria e graus de
hibridização. .................................................................................................................................. 83
Tabela A.1. Dimensões do módulo de bateria do Toyota Mirai ................................................... 92
xii
Lista de Abreviaturas e Siglas
Advisor ADvanced VehIcle SimulatOR
AFC Alkaline Fuel Cell
BEV Battery Electric Vehicle
DMFC Direct Methanol Fuel Cell
DOE Department of Energy
EPA Environmental Protection Agency
FASTSim Future Automotive Systems Technology Simulator
FCHEV Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles
FCS Fuel Cell System
FTP Federal Test Procedure
GGE Galão de gasolina equivalente
HD Grau de Hibridização
HWFET Highway Fuel Economy Driving Schedule
Le Litros equivalente de gasolina
Li-ion Bateria de íon lítio
MCFC Molten Carbonate Fuel Cell
MPGe Milhas por galão equivalente de gasolina
NiMH Bateria de níquel hidreto metálico
NREL National Renewable Energy Laborator
SOFC Solid Oxide Fuel Cell
PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell
PEM Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell
PEVE Primearth EV Energy
PNGV Partnership for a New Generation of Vehicles
SOC Estado de carga da bateria
UDDS Urban Dynamometer Driving Schedule
xiii
Lista de Símbolos
C Capacidade
d Taxa de desconto
Dm Distância média percorrida na vida média do veículo em milhas
D(t) Distância média percorrida no mês t em milhas
I Corrente
Mbateria Massa da bateria
MPGe𝐻𝑊𝐹𝐸𝑇 Consumo de combustível ciclo HWFET em MPGe
MPGe𝑈𝐷𝐷𝑆 Consumo de combustível ciclo UDDS em MPGe
MPGe𝑐𝑜𝑚𝑏 Consumo de combustível ciclo combinado em MPGe
N Número de anos no futuro
Pess,max Potência máxima do sistema de armazenamento de energia (bateria)
Pfcs,max Potência máxima da célula a combustível
Pm Potência específica mássica
Q Carga útil da bateria
Rano Redução da distância percorrida por ano em milhas
t Número de meses desde a compra do veículo
tútil Vida útil do veículo em anos
V Tensão
VF Valor futuro
VP Valor presente
Wm Energia específica mássica
1
1. Introdução
1.1. Objetivo
Em um cenário em que a percepção pública e as novas regulações ambientais demandam a redução
da emissão de poluentes nas atividades humanas, novas alternativas aos veículos de motores a
combustão interna, os quais utilizam combustíveis fósseis, vem ganhando destaque. Nesse sentido,
o FCHEV se apresenta como uma alternativa de grande potencial para esse mercado futuro de
veículos devido às suas características de emissão zero de poluentes durante a direção, elevada
autonomia e ao abastecimento rápido do tanque de combustível.
No entanto, os FCHEVs ainda não têm alta penetrabilidade no mercado atual. Entre as principais
limitações, destacam-se o elevado custo de aquisição do veículo, se comparado aos motores a
combustão interna, o alto valor do combustível de hidrogênio em razão da escala reduzida de
consumo do mesmo e a consequente baixa infraestrutura de abastecimento. Nessa perspectiva, o
objetivo desse trabalho é a proposição de novas configurações veiculares aos FCHEVs, visando
uma potencial redução de custos totais de tais veículos aos consumidores da atualidade. As
modificações de configurações abordadas nesse trabalho serão relacionadas ao grau de
hibridização do veículo e ao tipo de bateria do mesmo. Ademais, a elaboração do estudo será
pautada no caso do Toyota Mirai. A partir de tais modificações, serão avaliados parâmetros de
performance do veículo e dadas estimativas de custos.
1.2. Metodologia
Para a simulação de replicação do Toyota Mirai e das novas propostas de configurações do mesmo,
será utilizada a ferramenta computacional Advisor, a qual é capaz de simular veículos de diferentes
tipos de sistemas de propulsão conforme uma ampla gama de parâmetros de entrada. À vista disso,
primeiramente, será apresentado o funcionamento básico do Advisor.
A partir do levantamento dos dados de entrada adequados, será realizada a simulação base do
Toyota Mirai no Advisor, sendo ela validada segundo os dados de performance disponibilizados
2
pelo fabricante. Após a confirmação do modelo, serão propostas simulações para novas
configurações de graus de hibridização e tipo de bateria, mantendo-se constante a potencial total
fornecida pela célula a combustível e banco de baterias.
As configurações propostas e avaliadas pela ótica da performance serão submetidas à análise
econômica que engloba uma coleta de hipóteses e dados de custos, além das condições de operação
e vida útil do Toyota Mirai e de seus componentes.
Por fim, serão elaboradas as conclusões obtidas no presente trabalho, realizando uma avaliação
geral dos resultados alcançados. Ademais, serão discutidos possíveis estudos futuros
complementares a este trabalho.
3
2. Conceitos fundamentais
2.1. Veículos elétricos
Veículos elétricos são definidos como sendo aqueles cujo deslocamento provém da ação de, no
mínimo, um motor elétrico.
Eles podem ser classificados em veículos elétricos a bateria (BEV) ou veículos elétricos híbridos.
Os veículos elétricos a bateria (BEV) possuem a bateria como fonte exclusiva de alimentação do
motor elétrico. Sendo assim, a energia elétrica é armazenada sob forma química na bateria para,
posteriormente, ser usada pelo motor. Necessita, portanto, de conexão física com a rede elétrica
para efetuar a recarga e o seu reabastecimento. Dessa forma, as principais desvantagens associadas
a esse tipo de veículo são a autonomia reduzida e o longo tempo de recarga.
Os veículos elétricos híbridos combinam duas fontes de potência. Atualmente, os principais grupos
assim classificados e diferenciados conforme a fonte de energia primária são:
a) veículo elétrico híbrido com motor a combustão interna;
b) veículo elétrico híbrido com célula a combustível.
Os veículos elétricos híbridos utilizam, ao menos, um combustível como fonte de energia primária.
Contudo, por ser um veículo elétrico, dispõe de, no mínimo, um motor elétrico para o seu
acionamento. Desta forma, a denominação híbrida é explicada pelo reabastecimento do carro ser
através de um combustível e, mesmo assim, ser associado à utilização de propulsão elétrica.
O cerne do presente trabalho está no veículo elétrico híbrido com célula a combustível, o qual será
discutido em maiores detalhes no item 2.2 a seguir.
4
2.2. Veículos elétricos híbridos com célula a
combustível (FCHEV)
O veículo elétrico híbrido com célula a combustível (FCHEV), também comumente chamado de
veículo a célula a combustível, associa dois sistemas de propulsão: o sistema da célula a
combustível e o sistema de armazenamento de energia.
A necessidade da adição de um sistema de armazenamento de energia em um banco de baterias
aos veículos com célula a combustível é decorrente do comportamento dinâmico lento dessa
célula, conforme será explicado no item 2.3.2. Dessa forma, a célula a combustível necessita de
um sistema auxiliar capaz de suprir os transitórios de potências solicitados na operação, como, por
exemplo, a aceleração ou frenagem do veículo.
A associação do sistema de armazenamento de energia também traz outras vantagens ao veículo a
célula a combustível. Entre elas, destacam-se a redução do consumo de combustível devido a
capacidade do banco de baterias de armazenar energia recuperada a partir da frenagem
regenerativa. A combinação de dois sistemas de propulsão também possibilita a execução de uma
estratégia de gestão de energia em que a célula a combustível opere apenas em sua zona de alta
eficiência, conforme será explicado no item 2.3.2.
O veículo híbrido com célula a combustível (FCHEV) apresenta quatro fluxos de energia,
apontados na Figura 2.1, que são:
a) fluxo de energia direto da célula a combustível para o motor elétrico;
b) fluxo de energia da célula a combustível para o sistema de armazenamento de energia;
c) fluxo de energia regenerativa do motor elétrico para o sistema de armazenamento de
energia;
d) fluxo de energia do sistema de armazenamento de energia para o motor elétrico.
5
Figura 2.1. Diagrama com fluxos de energia de um FCHEV [1].
2.3. Célula a combustível
A célula a combustível é o dispositivo que converte energia química diretamente em energia
elétrica. Esta conversão se dá através de reações eletroquímicas de oxidação do hidrogênio
diatômico e da redução de oxigênio, produzindo água como subproduto. A célula a combustível
também produz calor em decorrência das perdas – irreversibilidades – das reações eletroquímicas.
Uma célula a combustível é composta, basicamente, de dois eletrodos, um cátodo e um ânodo,
separados por um eletrólito que pode ser sólido ou líquido. A Figura 2.2 mostra o funcionamento
básico de uma célula a combustível.
No ânodo ocorre a cisão da molécula de hidrogênio e a liberação de íons H+ e elétrons. Os íons
H+ atravessam o eletrólito e alcançam o cátodo, onde se combinam com os elétrons e com o
oxigênio, assim formando vapor de água.
6
Figura 2.2: Estrutura básica de uma célula a combustível [2]
A equação (2.1) apresenta as reações que ocorrem no ânodo e no cátodo de uma célula a
combustível
H2 → 2H+ + 2𝑒− 1
2𝑂2 + 2H+ + 2𝑒− → 𝐻2𝑂
(2.1)
Dessa forma, a reação global de uma célula a combustível é descrita na equação (2.2).
H2 +1
2𝑂2 → 𝐻2𝑂
(2.2)
Diferentemente da geração de energia elétrica em máquinas térmicas, as quais demandam etapas
intermediárias de conversão de energia, as células a combustível convertem diretamente energia
química em elétrica, sem haver combustão. Assim sendo, o processo de geração a partir da célula
a combustível é mais eficiente do que o realizado através de máquinas térmicas [2].
7
2.3.1. Tipos de células a combustível
Existe uma grande variedade de tecnologias de células a combustível, as quais são classificadas de
acordo com o tipo de eletrólito empregado [3].
As principais categorias de células a combustível são:
a) célula PEM ou PEMCF (Proton Exchange Membrane Fuel Cell): Utiliza membrana
trocadora de prótons como eletrólito;
b) célula alcalina ou AFC (Alkaline Fuel Cell): Utiliza eletrólito alcalino;
c) célula de ácido fosfórico ou PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell): Utiliza eletrólito de
material cerâmico;
d) célula de óxido sólido ou SOFC (Solid Oxide Fuel Cell): Utiliza eletrólito de ácido
fosfórico;
e) célula de carbonatos fundidos ou MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell): Utiliza sal fundido
para condução de íons, geralmente carbonatos de lítio-potássio ou carbonatos de lítio-
sódio;
f) célula de metanol direto ou DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): Utiliza membrana
trocadora de prótons como eletrólito. Esse tipo de célula vale-se do metanol como
combustível e, dessa forma, seus elétrodos são construídos diferentemente das células
PEMFC.
Para a aplicações veiculares com zero emissão local de carbono, costuma-se utilizar as células
PEMFC, também chamadas de célula de eletrólito polimérico sólido. Isso deve-se às suas
características de baixo peso, alta densidade de potência, funcionamento em temperaturas baixas,
fabricação simples, longevidade e fáceis acionamento e desligamento.
A contaminação do catalisador com CO e o alto custo da membrana trocadora de prótons são as
principais limitações das PEMFC.
2.3.2. Operação da célula a combustível em FCHEVs
Pukrushpan [4] afirma que a resposta transiente da célula a combustível é lenta.
Da mesma forma, Wang e Nehrir [5] também afirmam que células a combustível não são capazes
de responder rapidamente à transitórios de potências. Isso deve-se, principalmente, às suas
características eletroquímicas e termodinâmicas. Além disso, a operação de células a combustível
8
em transitórios de potências é considerada danosa às células a combustível, podendo encurtar a
vida útil desses dispositivos.
Dessa forma, é desejável que a operação das células a combustível em veículos se dê com potências
contínuas. Para tal, faz-se necessária a adição de um sistema de armazenamento de energia auxiliar
capaz de apresentar rápida resposta transiente.
Nesse sentido, a hibridização de veículos a célula a combustível é fundamental para que os mesmos
apresentem acelerações compatíveis aos requerimentos mínimos estabelecidos pela PNGV [37].
Em geral, baterias ou supercapacitores são as principais escolhas de fonte de potência secundária
para veículos a célula a combustível.
A estratégia de controle de FCHEVs deve priorizar as baterias ou os supercapacitores para o
fornecimento de potência em transitórios.
Além disso, Feroldi, Serra e Riera [1] constatam que a célula a combustível apresenta maior
eficiência de operação em potências intermediárias. Assim, é desejável a definição de uma
estratégia de controle em que a célula a combustível opere preferencialmente em sua zona de alta
eficiência.
Para tal, foi proposta [1] uma estratégia de controle em que o sistema de armazenamento de energia
fornecesse potência em baixos índices e a célula a combustível passasse a operar a partir de uma
potência mínima requerida.
A Figura 2.3 apresenta o esquema de operação da célula a combustível propostos no trabalho de
Feroldi.
Figura 2.3: Esquema para controle de operação da célula a combustível de um FCHEV. [1]
9
2.4. Baterias veiculares
Uma bateria é um acumulador que transforma energia química em energia elétrica – e vice-versa
–, geralmente, por meio de uma reação de oxirredução. O polo negativo é denominado ânodo, no
qual ocorre a oxidação, enquanto o positivo é o cátodo, onde se dá a redução. Os elétrons correm
do ânodo para o cátodo, gerando energia elétrica.
Portanto, baterias são dispositivos capazes de armazenar e gerar energia elétrica mediante reações
eletroquímicas de oxidação, com a perda de elétrons, e de redução, pelo ganho de elétrons. Nessas
reações, a transferência dos elétrons ocorre no circuito elétrico externo, gerando corrente elétrica.
Quando a bateria é utilizada, isto é, durante a descarga, a energia química armazenada nos
elétrodos se transforma direta e espontaneamente em energia elétrica.
Fisicamente, a unidade básica de uma bateria é uma célula. As baterias são dispostas em módulos,
definidos por mais de uma célula de bateria, ou em “packs”, correspondentes à mais de um módulo.
Figura 2.4: Células, módulos e packs de baterias [6]
Cada célula eletroquímica é formada por dois elétrodos, de placas positiva e negativa, separados
fisicamente por material isolante elétrico, o qual é um condutor iônico (separador), e mergulhados
ou envolvidos por um eletrólito a servir de meio condutor.
10
Figura 2.5: Ilustração da célula eletroquímica [7]
O elétrodo positivo, entendido como cátodo, é constituído pelo material ativo com maior potencial
de oxirredução (redox). Já o elétrodo negativo, ânodo, é constituído pelo material ativo com menor
potencial redox. O separador, geralmente, é um filme microporoso de fibra ou polímero, enquanto
o eletrólito pode ser líquido, sólido ou gasoso.
Durante o processo de descarga, a energia química armazenada nos elétrodos se transforma direta
e espontaneamente em energia elétrica através das reações de oxidação e redução dos materiais
ativos das placas. Segundo Nazri e Pistoia [8], durante o processo de carga, é necessário fornecer
energia elétrica para transformar os materiais gerados na descarga nos produtos
eletroquimicamente ativos originais.
O desempenho de uma bateria depende das características de fabricação de seus elementos. Os
parâmetros eletroquímicos mais utilizados para caracterizar uma célula ou bateria serão
apresentados a seguir.
11
2.4.1. Conceitos básicos
2.4.1.1. Tensão
Representa o potencial ou a força eletromotriz de uma célula eletroquímica. É a diferença entre os
potenciais de oxidação e redução dos materiais ativos dos cátodos e ânodos.
A unidade de medida é volt (V).
2.4.1.2. Corrente
É definida como o movimento ordenado de partículas eletricamente carregadas (elétrons), ou
corrente elétrica, que uma célula eletroquímica pode aplicar sobre um circuito externo. É definida
como a quantidade de carga que atravessa o condutor por unidade de tempo.
A corrente está relacionada com a velocidade das reações de oxidação e redução dos materiais
ativos dos cátodos e ânodos, influenciada pelo separador e eletrólito, em regime permanente e
contínuo ou de pico, tendo curta duração.
A unidade de medida é o Coulomb por segundo, chamado de ampère (A).
2.4.1.3. Capacidade
É a quantidade total de corrente por unidade de tempo que uma célula ou bateria é capaz de
fornecer até atingir sua tensão final de descarga. É apresentada conforme a equação (2.3)
C = I. t (2.3)
Onde C e I são, respectivamente, a capacidade e a corrente, enquanto t corresponde ao tempo.
A unidade de medida é ampère-hora (Ah).
2.4.1.4. Carga útil
A carga útil de uma bateria, ou célula, é a carga máxima que ela pode fornecer a partir do estado
considerado até ser totalmente descarregada, sem que ocorra recarga ou balanceamento. A unidade
de medida é ampère-hora (Ah).
12
2.4.1.5. Energia específica mássica
É a quantidade de energia elétrica que uma célula ou bateria pode armazenar, normalizada em
termos de massa. A unidade de medida é watts-hora por quilo (Wh/kg).
A equação (2.4) apresenta a formulação da energia específica mássica:
Wm =V x C
M𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (2.4)
Onde Wm é a energia específica mássica, V corresponde à tensão e M𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 refere-se à massa da
bateria.
2.4.1.6. Potência específica mássica
Reflete a capacidade de a bateria fornecer altas taxas de corrente, em regime permanente e contínuo
ou de pico, tendo curta duração.
Para comparar diferentes tecnologias de baterias, utiliza-se o valor de potência normalizado em
massa. A unidade de medida é W/kg.
A potência específica mássica é apresentada na equação (2.5)
Pm =V x I
M𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (2.5)
Onde Pm é a potência específica mássica, V corresponde à tensão, I indica a corrente e M𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
refere-se à massa da bateria.
2.4.1.7. Ciclos de vida
É o número de ciclos de carga e descarga que a bateria pode realizar até que sua capacidade se
reduza ao valor percentual limite, especificado por tecnologia, em relação ao valor nominal.
2.4.1.8. Estado de carga (SOC)
O estado de carga (SOC) é um indicador da quantidade de bateria utilizável restante. É muito
utilizado em veículos elétricos.
O estado de carga adimensional se refere à razão entre a carga útil e a capacidade da bateria,
possuindo valores limitados entre 0 (0%) e 1 (100%) e é representado pela equação (2.6):
13
SOC = (1 −Q
C)
0 ≤ SOC ≤ 1
(2.6)
Onde C é a capacidade da bateria e Q corresponde à carga útil da bateria em determinado tempo
de interesse.
Em veículos elétricos híbridos, podem ser definidas estratégias de controle que limitem o estado
de carga da bateria à uma faixa de operação específica.
Dessa forma, o estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) é o limite inferior em que a descarga da bateria
é interrompida; já o estado de carga máximo (SOC𝑚𝑎𝑥) é o limite superior em que a recarga da
bateria é interrompida.
2.4.1.9. Modo de operação
A “National Renewable Energy Laboratory” (NREL) [9] estabelece dois modos de operação para
baterias de veículos híbridos elétricos: “Charge depleting” e “charge sustaining”.
O modo “charge depleting” refere-se à maneira de operação em que a bateria descarrega
continuamente, até o estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) definido na estratégia de controle.
O modo “charge sustaining” refere-se à maneira de operação em que o estado de carga (SOC) da
bateria pode flutuar, mas é mantido acima do estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛). Dessa forma, no
“charge sustaining”, a bateria sempre deve ser capaz de, sozinha, fornecer carga suficiente para
um evento de aceleração de 0-60mph, antes de atingir o estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) definido
[10].
2.4.2. Tipos de baterias para veículos elétricos
Ostensivos esforços e investimentos têm sido realizados internacionalmente visando o avanço
tecnológico das baterias de veículos elétricos. O governo americano, através do Departamento de
Energia (DOE), vem investindo cerca de $2 bilhões de dólares para acelerar a produção e o
desenvolvimento de baterias e veículos elétricos [11]. A comissão europeia, organizações na
Europa e o Ministério de Economia japonês também vêm, continuamente, dando suporte para
pesquisa e o desenvolvimento de baterias veiculares [12].
Rosolem et al. [13] apresentam os principais desafios tecnológicos das baterias de veículos
elétricos como sendo:
14
a) alta confiabilidade;
b) alto desempenho (ciclos de vida e profundidade de descarga);
c) alta densidade energética (Wh/kg e Wh/l);
d) ampla faixa de temperatura de operação;
e) tempo de recarga reduzido;
f) vida útil elevada;
g) peso e volume reduzidos;
h) custo razoável;
i) segurança;
j) não agressividade ao meio ambiente.
Segundo Young et al. [12], as baterias de Li-ion e NiMH correspondem às principais tecnologias
de baterias para veículos elétricos no mercado atual. No entanto, está ocorrendo um crescimento
da utilização de baterias de Li-ion em veículos elétricos.
A Tabela 2.1 apresenta os tipos de baterias, distinguidos pela composição química, utilizados em
uma amostra de veículos elétricos atuais. Destaca-se a adoção de baterias de Li-ion em modelos
recentes de veículos elétricos.
Tabela 2.1 Tipos de baterias utilizadas em amostra de veículos elétricos.
Fabricante País de origem Modelo Tipo de Bateria
BMW Alemanha I3 Li-ion
Daimler Alemanha C350e, S 550e Li-ion
Ford Estados Unidos Fusion, C-MAX Hybrid, Focus
Electric
Li-ion
GM Estados Unidos Chevy-Volt, Bolt EV Li-ion
Honda Japão Clarity Fuel Cell, Accord Li-ion
Mitsubishi Japão I-MiEV Li-ion
Nissan Japão Leaf Li-ion
Tesla Estados Unidos Model S Li-ion
Toyota Japão Mirai, Prius NiMH
15
2.4.2.1. Baterias de níquel metal hidreto
As baterias de níquel metal hidreto estão no mercado desde 1992 [7]. Atualmente, o maior cliente
das baterias de NiMH para veículos elétricos é a Toyota [14]. Nesse contexto, existem apenas duas
empresas fabricantes desse tipo de bateria para automóveis, repartindo um mercado estimado em
US$ 1,4 bilhão entre a Panasonic, por meio de sua joint-venture com a Toyota (Primearth EV
Energy – PEVE), e a Cobasys, que foi incorporada pela Bosch.
O custo de aquisição inferior e a tecnologia mais consolidada são as principais vantagens das
baterias de NiMH em relação às de Li-ion [14]. No entanto, tais baterias têm como limitação o fato
de não poderem ser descarregadas por completo, prejudicando sua aplicação em veículos elétricos
puros.
A reação global de uma bateria de NiMH é apresentada na equação (2.7)
MH + NiOOH ↔ M + Ni(OH)2 (2.7)
2.4.2.2. Baterias de lítio-íon
A Figura 2.6 apresenta as faixas de Potência Específica Mássica (W/kg) e de Energia Específica
Mássica (Wh/kg), ou, simplificadamente, Densidade de Potência e Densidade Energética para
vários tipos e tecnologias de baterias.
Figura 2.6: Curvas Ragone [15]
16
Como pode ser observado na Figura 2.6, as baterias à base de lítio apresentam maiores níveis de
potência e energia por unidade de massa, uma vez que o lítio é um elemento pequeno, leve e de
alto potencial redox [13].
Essas características são atrativas à utilização da tecnologia como fonte de energia para veículos
elétricos e híbridos, além do aspecto de baixo impacto ambiental de seus materiais constituintes.
As reações químicas básicas ocorridas durante a carga e descarga das baterias de lítio-íon são
apresentadas na equação (2.8).
6C + LiM𝑥O4 ↔ LiC6 + 2M𝑋𝑂2 (2.8)
As baterias de lítio possuem grande variedade, de acordo com sua composição química,
apresentando diferenças em relação à densidade de energia, tensão nominal, vida útil e segurança.
As composições químicas mais comuns são lítio-cobalto (LiCoO 2), lítio-manganês (LiMn2O 4)
e lítio-ferro-fosfato (LiFePO 4).
2.5. Ciclos de condução
O ciclo de condução é um padrão de acelerações, velocidades e frenagens em determinado
intervalo de tempo. Sendo assim, tais ciclos são fundamentais para a avaliação de testes
automotivos de consumo de combustível e emissão de poluentes.
Nos Estados Unidos, os ciclos de condução mais adotados são definidos pela U.S. Environmental
Protection Agency (EPA). A EPA é a agência de proteção ambiental dos Estados Unidos, criada
em 1970. É responsável por promover a evolução de regulamentações ambientais e também pela
aplicação de multas, sanções e outras medidas. Além disso, a EPA desenvolve nos campos de
pesquisa e educação uma ampla variedade de programas voluntários para prevenção da poluição e
esforços de conservação de energia.
Os principais ciclos de condução determinados pela EPA são o Urban Dynamometer Driving
Schedule (UDDS) e o Federal Higway Schedule (HWFET). No entanto, as estimativas de consumo
de combustível e emissão de poluentes são expressas em relação à combinação ponderada dos dois
ciclos, usualmente chamado de ciclo combinado.
No Brasil, a NBR 6601 estabelece o ciclo de condução para trânsito urbano e a NBR 7024 constitui
o ciclo de condução para trânsito rodoviário.
17
O ciclo urbano definido pela NBR 6601 é equivalente ao ciclo FTP-75 (Federal Test Procedure),
estabelecido pela EPA; já o ciclo rodoviário definido pela NBR 7024 equivale ao ciclo HWFET
da EPA.
2.5.1. Ciclo UDDS
O ciclo UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule), também conhecido como "the city test"
é um ciclo de condução definido pela EPA e representa condições de direção de veículos leves na
cidade.
O ciclo UDDS simula um percurso de 12,07 km com paradas frequentes. A velocidade máxima
do percurso é igual a 91,25 km/h, enquanto a velocidade média equivale a 31,5 km/h.
A Figura 2.7 apresenta os padrões de acelerações e velocidades do ciclo UDDS.
Figura 2.7: Ciclo UDDS [16]
A NBR 6601 estabelece o ciclo de condução equivalente ao FTP-75 (Federal Test Procedure)
como ciclo urbano padrão no Brasil. O FTP-75 é uma variante do ciclo UDDS, correspondente ao
ciclo UDDS acrescido de 505 segundos iniciais de outro ciclo UDDS. A Figura 2.8 apresenta os
padrões de acelerações e velocidades do ciclo FTP-75.
18
Figura 2.8: Ciclo FTP-75 [16]
2.5.2. Ciclo HWFET
O ciclo HWFET (Highway Fuel Economy Driving Schedule) é um ciclo de condução definido pela
EPA e representa as condições de direção de veículos leves em rodovias com limite de velocidade
de 60 mph (95,6 km/h).
O ciclo HWFET simula um percurso com duração de 765 segundos e distância percorrida de 16,45
km. A velocidade média é de 77,7 km/h.
A Figura 2.9 apresenta os padrões de acelerações e velocidades do ciclo HWFET.
Figura 2.9: Ciclo HWFET [16]
19
2.5.3. Ciclo Combinado
Em grande parte da literatura, o resultado dos testes de performance da EPA é divulgado conforme
a combinação ponderada dos ciclos UDDS e HWFET. Essa combinação também é chamada de
ciclo combinado e incorpora os ciclos UDDS e HWFET na ponderação de 55% e 45%
respectivamente.
A unidade de consumo de combustível adotada pela EPA é de milhas por galão de gasolina
equivalente (MPGe). A adoção de tal medida, a qual tem como objetivo comparar o consumo de
combustível de veículos híbridos e elétricos com o de veículos convencionais, vem se tornando
recorrente em dados de performance dos veículos. O cálculo de consumo de combustível do ciclo
combinado em MPGe deriva das informações dos ciclos UDDS e HWFET conforme a equação
(2.9).
MPGe𝑐𝑜𝑚𝑏 =1
0,55MPGe𝑈𝐷𝐷𝑆
+0,45
MPGe𝐻𝑊𝐹𝐸𝑇
(2.9)
Onde MPGe𝑐𝑜𝑚𝑏 equivale ao consumo de combustível ciclo combinado em MPGe, MPGe𝑈𝐷𝐷𝑆 ao
consumo de combustível ciclo UDDS em MPGe e MPGe𝐻𝑊𝐹𝐸𝑇 ao consumo de combustível ciclo
HWFET em MPGe.
2.6. FASTSim
O FASTSim é uma ferramenta computacional de análise de sistemas automotivos desenvolvida
pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) com o apoio do Departamento de
Energia americano (DOE) [17].
O FASTSim incorpora uma ampla base de dados de veículos de diferentes sistemas a propulsão.
Atualmente, a sua versão padrão programada em Excel conta com dados de entrada de mais de 20
veículos. O acesso à ferramenta computacional é gratuito e a versão mais recente é datada de 2018.
O FASTSim apresenta uma rápida e simples abordagem de simulação ao usuário. Dessa maneira,
a ferramenta possibilita a estimativa de diversos parâmetros veiculares, tais como eficiência,
performance, custos e vida útil da bateria – todos a partir da manipulação de dados de entrada dos
veículos disponíveis. Sendo assim, é também uma grande fonte comparativa dos veículos presentes
no mercado.
20
2.7. Advisor
2.7.1. Introdução
O Advisor é uma ferramenta avançada de simulação de veículos desenvolvida pelo Laboratório
Nacional de Energia Renovável (NREL), tendo sido publicamente lançado em 1998.
Posteriormente, em 2003, o software foi descontinuado [18].
Mesmo após ser interrompido, o Advisor ainda é recorrentemente utilizado em pesquisas. Estima-
se que dois terços dos usuários do Advisor são membros da indústria automotiva e o terço restante
é composto por estudantes e pesquisadores de universidades. A atualidade do software deve-se à
flexibilidade para modelagem de veículos, a opcionalidade de definições de estratégias de controle
e a facilidade para alterações. O Advisor foi modelado para uso conjunto ao Matlab e ao Simulink.
Dentre as vantagens do Advisor, destacam-se:
a) o acesso gratuito e possível offline;
b) viabilidade de simulação de veículos à célula a combustível;
c) flexibilidade na construção de modelos;
d) interface gráfica amigável;
e) prevê simulações com ciclos de condução da EPA;
f) suporta análise de sistemas lineares e não lineares.
2.7.2. Interface
O Advisor possui três telas principais de interface com o usuário. A Figura 2.10 mostra a primeira
tela, onde o usuário configura os dados do modelo do veículo a ser simulado.
No topo da tela, nas abas “Load file” e “Drivetrain Config”, são realizadas as configurações do
sistema de propulsão do modelo. Nessa etapa, o usuário pode escolher um modelo padrão para o
sistema de propulsão definido ou carregar um modelo de veículo da própria base de dados do
Advisor. Apesar de haver uma série de modelos de veículos comerciais disponíveis no software,
esses estão desatualizados por conta da descontinuidade do Advisor em 2003.
Posteriormente, em “Vehicle” estão listados diversos tipos de carroceria padrões.
21
Figura 2.10: Interface inicial do Advisor
Na parte central da interface inicial do Advisor é onde o usuário define as configurações dos
componentes fundamentais do veículo. Uma breve explicação dos principais campos é explicada
a seguir:
a) “Vehicle”: escolha de um padrão de carroceria;
b) “Fuel Converter”: em caso de veículo híbrido ou convencional, é definida a fonte primária
de potência. Sendo assim, o usuário tem a opção da escolha do motor ciclo otto, motor
ciclo diesel ou célula a combustível. No lado direito, é definida a potência máxima e a
eficiência máxima do sistema;
c) “Energy Storage”: em caso de veículo com sistema de armazenamento de energia, é
definido o tipo de bateria do modelo. No lado direito, é estipulado como entrada o número
de módulos da bateria. Assim, o software gera automaticamente a voltagem nominal e a
massa do banco de baterias resultante dos parâmetros do modelo;
22
d) “Motor”: em caso de veículo elétrico, são especificadas as características do motor elétrico.
Ao lado, determina-se o pico de eficiência do motor elétrico.
A parte inferior da tela, em “Variable List”, assume grande importância. É nela onde o usuário
estipula a maior quantidade de variáveis do modelo. Ao arrastar a lista “Variables”, é possível
editar variáveis específicas de cada componente dos veículos. Dessa forma, o software se torna
bastante flexível para a configuração de modelos de veículos atuais.
A Figura 2.11 mostra a segunda tela de interface do Advisor. É nela onde o usuário estabelece as
condições de teste que o modelo será submetido. O primeiro quadrado, na parte superior da tela, é
onde define-se o ciclo de condução e o número de vezes que esse será repetido para a simulação.
Na mesma região, em “initial conditions”, determinam-se as condições iniciais do veículo para o
teste. Entre elas, destacam-se a temperatura ambiente, temperatura do motor ou célula a
combustível e SOC inicial da bateria.
Figura 2.11. Segunda tela de interface do Advisor
23
Posteriormente, no retângulo amarelo, o usuário pode selecionar as opções de teste de aceleração
e teste de capacidade de subida em rampa (“gradeability”). Para a configuração de cada teste é
aberta uma tela anexa.
A Figura 2.12 mostra a tela de configuração do teste de aceleração. Como é possível observar, o
usuário possui diversas opções para o teste de aceleração, a exemplo da desativação de um dos
sistemas de potência, da adição de determinado peso extra ao veículo e da definição do intervalo
de variação de velocidades.
Figura 2.12. Tela de configuração do teste de aceleração no Advisor
24
A Figura 2.13 mostra a tela de configuração do teste de capacidade de subida em rampa. A opção
mais comum para o teste é a qual o usuário estabelece a velocidade e a duração do percurso. Nesse
caso, o software gera o resultado da máxima inclinação que o modelo consegue manter nessas
condições. Além disso, há a possibilidade de desativar a bateria para a simulação. A adição de uma
massa extra também é prevista.
Figura 2.13. Tela de configuração do teste de capacidade de subida em rampa no Advisor
A Figura 2.14 mostra a última tela referente aos resultados da simulação do modelo no Advisor.
25
Figura 2.14. Tela de resultados do Advisor
No primeiro retângulo superior da região de “Results Figure”, o usuário configura as exibições
dos gráficos apresentados conforme julgar adequado. No presente trabalho, para manter a
uniformidade, as configurações dos quatro gráficos de telas de saídas para as simulações realizadas
foram mantidas as mesmas. O padrão adotado é de acordo ao mostrado na Figura 2.14 e explicado
a seguir:
a) primeiro gráfico: velocidade, em mph, por tempo, em segundos;
b) segundo gráfico: estado de carga da bateria por tempo, em segundos;
c) terceiro gráfico: taxa de consumo de combustível, em g/s, por tempo, em segundos;
d) quarto gráfico: distância, em metros, por tempo, em segundos.
Além da visualização dos gráficos, o segundo retângulo amarelo apresenta o consumo de
combustível do modelo em MPGe durante o percurso. O terceiro retângulo, de cor verde, é o
resultado da simulação referente à emissão de poluentes. O último retângulo, na cor amarela,
apresenta os resultados dos testes de aceleração e a capacidade de subida em rampa. Caso o teste
não tenha sido selecionado, o software apresenta “n/a” como resultado.
26
3. Estudos de caso: Toyota Mirai
3.1. Descrição
Em 2014, a Toyota lançou seu primeiro modelo de FCHEV destinado à produção em larga escala.
Ao modelo foi atribuído o nome Mirai, cujo significado, na língua japonesa, é “futuro”. Em 2017,
o sedã médio abastecido à hidrogênio atingiu um total acumulado de 5.300 vendas, registradas
desde período inicial de vendas.
O Toyota Mirai destaca-se pela zero emissão local de carbono, elevada autonomia de 502 km,
segundo a EPA, e pelo baixo tempo de abastecimento do tanque de hidrogênio, se comparado aos
veículos elétricos puros (BEV), sendo de, aproximadamente, 5 minutos.
O modelo Toyota Mirai 2016/2017 foi escolhido para o estudo de caso desse presente trabalho
devido a extensa literatura disponível desse FCHEV.
O processo de levantamento de especificações do veículo desenvolveu-se em três etapas:
a) levantamento de dados do veículo em catálogos disponíveis da Toyota [36];
b) obtenção de especificações adicionais da bateria no catálogo da fornecedora Primearth
EV Energy – PEVE [35]. Como explicado no item 2.4.2.1, a PEVE é a parceira
responsável pela produção de baterias dos veículos híbridos da Toyota;
c) levantamento de especificações adicionais do Toyota Mirai no banco de dados do
software FASTSim.
A Tabela 3.1 é o resultado dos dados coletados nas três etapas de pesquisa, discriminados conforme
a fonte de cada especificação.
27
Tabela 3.1: Dados do Toyota Mirai.
Especificação Valor Fonte
Veículo
Coeficiente de arrasto 0,29 Toyota
Altura do centro de gravidade do veículo 0,53 m FASTSim
Fração de peso no eixo de tração 0,59 FASTSim
Distância entre eixos 2,78 m Toyota
Peso do veículo sem carga/Tara 1850 kg Toyota
Peso da carga 136kg FASTSim
Tração Dianteira Toyota
Célula a
combustível
Tipo PEMFC Toyota
Potência máxima 114 kW Toyota
Potência específica 2 kW/kg Toyota
Peso do empilhamento de células a
combustível 56 kg Toyota
Tempo para que a célula a combustível atinja
potência máxima 5 s FASTSim
Peso do tanque de hidrogênio 87,5 kg Toyota
Tempo de abastecimento 300 s Toyota
Capacidade do tanque de hidrogênio 5 kg de H2 Toyota
Pressão normal de operação do tanque de
hidrogênio 70 Mpa Toyota
Transmissão Massa do sistema de transmissão 114 kg FASTsim
Eficiência de transmissão 0,98 FASTSim
Pneus
Raio 0,33 m FASTSim
Momento de inércia 0,82 kg·m² FASTSim
Coeficiente de rolamento 0,0076 FASTSim
28
Bateria
Tipo Niquel-hidreto
metálico Toyota
Número de módulos de bateria 34 Toyota
Voltagem por módulo 7,2 V Toyota
Voltagem nominal do banco de baterias 244,8 V Toyota
Capacidade 6,5 Ah Toyota
Potência por módulo 1,35 Kw PEVE
Peso do módulo de bateria 1,04 kg PEVE
Potência específica 1,30 kW/kg PEVE
Densidade de energia 0,046 kWh/kg PEVE
Motor elétrico Potência 113 kW Toyota
Eficiência do motor 0,95 FASTsim
Parâmetros
de Controle
SOC mínimo 0,4 FASTSim
SOC máximo 0,8 FASTSim
Performance
Consumo de Combustível (Estimativa EPA
para ciclo combinado) 67 MPGe Toyota
Velocidade Máxima 111 mph Toyota
Aceleração de 0-60 mph 9,0 s Toyota
Aceleração de 0-100 km/h 9,6 s Toyota
Autonomia (Estimativa EPA) 312 Toyota
As especificações levantadas do Toyota Mirai serão ajustadas conforme as limitações do Advisor
e associadas às hipóteses elaboradas no item 3.2, a fim de definir os dados de entrada da simulação
de validação do veículo no software. Posteriormente, no capítulo 4, serão propostas as alterações
de determinados parâmetros de entrada, tais como a potência máxima da célula a combustível e o
tipo de bateria, visando potenciais otimizações ao modelo base.
29
3.2. Dados de entrada da simulação
Os dados de entrada na simulação do modelo do Toyota Mirai no Advisor foram definidos a partir
das especificações levantadas no item 3.1, diante de certos ajustes às limitações do software. Além
disso, foi necessária a elaboração de hipóteses para parâmetros de entrada do Advisor, os quais
não estão disponíveis na literatura de pesquisa da Tabela 3.4.
Dessa forma, as limitações do software e as hipóteses assumidas serão apresentadas de acordo com
as seguintes classificações: Bateria, célula a combustível, parâmetros de controle, carroceria.
3.2.1. Bateria
A principal limitação do Advisor observada para a simulação do Toyota Mirai é a impossibilidade
de entrada direta de potência específica e voltagem nominal no modelo. Ou seja, o software
estabelece uma configuração padrão, tanto para a definição de potência específica quanto da
voltagem nominal, em razão dos outros parâmetros de entrada da bateria.
Dessa forma, a Tabela 3.2 apresenta voltagem nominal, potência específica e, consequentemente,
a potência máxima do banco de baterias definidas pelo Advisor para as entradas de capacidade,
número de módulos e peso por módulos coletadas no item 3.1.
Tabela 3.2. Configurações de entradas da bateria no Advisor.
Capacidade Número de
módulos
Peso por
módulo
Voltagem
Nominal*
Potência
específica*
Potência
banco de
baterias*
Entrada
original 6,5 Ah 34 1,04 kg 262V 0,47 kW/kg 16,5 kW
*Parâmetros do modelo definidos indiretamente pelo padrão do Advisor.
Como é possível observar, a potência específica padrão definida pelo software para o modelo do
Toyota Mirai é cerca de 64% inferior à potência específica de 1,30 kW/kg estabelecida pela
fornecedora Primearth EV Energy – PEVE. Dessa forma, a solução observada para a convergência
entre a potência máxima do banco de baterias simulado e os dados experimentais foi o aumento
do valor de entrada da capacidade da bateria de NiMH, a mostrar na Tabela 3.3.
30
Tabela 3.3. Configurações de entradas modificadas da bateria no Advisor.
Capacidade Número de
módulos
Peso por
módulo
Voltagem
Nominal*
Potência
específica*
Potência
banco de
baterias*
Entrada
original 18 Ah 34 1,04 kg 262V 1,30 kW/kg 45,9 kW
*Parâmetros do modelo definidos indiretamente pelo padrão do Advisor.
Diante da limitação do software, avaliou-se que o aumento do valor de entrada da capacidade da
bateria para 18 Ah era a solução adequada, visando que o modelo apresentasse convergência em
relação à potência do banco de baterias de 45,9 kW inferidas para o Toyota Mirai. Se diferente
disso, a simulação apresentaria resultados significativamente divergentes aos dados experimentais
estabelecidos para o Toyota Mirai.
A Figura 3.1 (a) apresenta a potência do banco de baterias, estipulada pelo Advisor, para valores
de entrada de 6,5 Ah e 34 módulos. Nota-se que a potência máxima dessa configuração é de 16,5
kW. A Figura 3.1 (b) apresenta a potência do banco de baterias, estipulada pelo Advisor, para
valores de entrada de 18 Ah e 34 módulos. Nota-se que a potência máxima dessa configuração
converge para os 45,9 kW inferidos pelas especificações do Toyota Mirai.
(a) (b)
Figura 3.1. Comparação entre potência máxima do banco de baterias, estipulada pelo Advisor,
para entradas de 6,5 e 18 Ah, respectivamente.
31
3.2.2. Célula a combustível
A DOE [19] estabelece que o alvo de eficiência máxima de células a combustível PEMFC para
veículos de transporte deve variar de 60% a 65%, entre 2015 e 2020. Por se tratar de um veículo
modelo 2016/2017, a eficiência máxima da célula a combustível assumida para a simulação do
Toyota Mirai foi de 62%.
3.2.3. Estratégias de controle
São três as principais estratégias de controle a serem definidas para a simulação de um FCHEV,
além dos SOC máximo e mínimo, no Advisor.
A primeira delas refere-se ao modo de operação da bateria. Conforme explicado no item 2.4.1.9,
são dois os modos de operação da bateria: “charge depleting” e “charge sustaining”. Segundo
Ahluwalia, Wang e Rousseau [20], a bateria de um FCHEV deve operar no modo “charge
sustaining”. Nesse modo, o estado de carga (SOC) da bateria é mantido suficientemente acima do
estado de carga mínimo (SOC𝑚𝑖𝑛) para que a bateria sempre seja capaz de fornecer autonomamente
carga suficiente aos eventos de aceleração. Assim sendo, essa é a estratégia adequada para os
FCHEVs, uma vez que células a combustível não são capazes de responder rapidamente à
transitórios de potências.
A segunda estratégia trata da operação da célula a combustível. Como apresentado no item 2.3.2,
a célula a combustível apresenta maior eficiência de operação em potências intermediárias. Sendo
assim, quando o veículo opera na faixa de baixa potência, o motor elétrico deve ser acionado pela
bateria, de forma a obter um melhor rendimento.
Ao modelar a célula a combustível do modelo do Toyota Mirai no Advisor, observou-se que a
célula apresenta baixa eficiência de operação para potências abaixo de 15 kW. A Figura 3.2 mostra
a curva de eficiência da célula a combustível do modelo dada pelo Advisor.
32
Figura 3.2. Curva de eficiência da célula a combustível do modelo.
A Figura 3.3 apresenta o gráfico do consumo de combustível da célula a combustível do modelo
conforme a potência de operação. Nota-se o aumento do consumo de combustível por kWh
fornecido ao motor elétrico para baixas potências de operação.
Figura 3.3. Consumo de combustível em função da Potência de operação célula a combustível.
33
Em razão do aumento de rendimento, a potência mínima requerida para que a célula a combustível
do modelo seja acionada foi estabelecida em 15 kW. Para tal estratégia de controle, em potências
abaixo de 15 kW o motor elétrico deve ser acionado exclusivamente pela bateria.
A terceira e última estratégia de controle refere-se à taxa de incremento de potência da célula a
combustível (Maximum FCS rise rate power). Trata-se da limitação da célula a combustível de
responder a transitórios de potências.
Conforme apresentado no item 3.1, a célula a combustível do Toyota Mirai demora 5 segundos
para atingir a potência máxima de 114 kW. Isso resulta em uma taxa de incremento de potência da
célula a combustível (Maximum FCS rise rate power) de 22,8 kW/s. Dessa forma, caso a taxa
requerida exceda 22,8 kW/s, a bateria é acionada para a resposta transiente.
3.2.4. Peso da carroceria
No item 3.1 foi realizado o levantamento do peso dos componentes do veículo e o do mesmo sem
carga. Dessa maneira, assumiu-se o peso da carroceria como sendo de 1383 kg. Tal valor, quando
somado ao peso dos componentes, igualava-se ao do veículo sem carga.
A Tabela 3.4 sumariza os dados de entrada para a simulação do Toyota Mirai realizada no Advisor.
Trata-se do agrupamento das especificações levantadas do Toyota Mirai, coletados no item 3.1, e
das hipóteses adotadas no decorrer do presente item. Nota-se que os parâmetros que não
apresentam códigos de entrada no Advisor são referentes aos dados de entrada direta na tela de
interface do software.
34
Tabela 3.4. Entradas da simulação do Toyota Mirai no Advisor.
Códigos do Advisor Especificação Valor
Veículo
veh_CD Coeficiente de arrasto 0,29
veh_glider_mass Peso da carroceria 1383 kg
veh_cg_height Altura do centro de gravidade do veículo 0,53 m
veh_front_wt_frac Fração de peso no eixo de tração 0,59
veh_wheelbase Distância entre eixos 2,78 m
Peso do veículo sem carga/Tara 1850 kg
veh_cargo_mass Peso da carga 136 kg
veh_mass Peso do veículo com carga 1986 kg
Tração Dianteira
Célula a
combustível
- Tipo Eletrólito de
polimero sólido
fc_max_pwr Potência máxima 114 kW
- Potência específica 2,0 kW/kg
- Peso do empilhamento de células a
combustível 56 kg
- Peso do tanque de hidrogênio 88 kg
- Capacidade do tanque de hidrogênio 5 kg de H2
fc_mass Massa do sistema da célula a
combustível 150 kg
Transmissão tx_mass Massa do sistema de transmissão 114 kg
tx_eff_scale Eficiência de transmissão 0,98
Pneus
wh_radius Raio 0,33 m
wh_inertia Momento de inércia 0,82 kg.m²
wh_1st_rrc Coeficiente de rolamento 0,0076
Bateria
- Tipo PEMFC
ess_module_num Número de módulos de bateria 34
ess_max_ah_cap Capacidade 18 Ah
ess_module_mass Peso do módulo de bateria 1 kg
Motor
elétrico
- Potência 113 kW
- Eficiência do motor 0,95
Parâmetros
de Controle
cs_lo_soc SOC mínimo 0,4
cs_hi_soc SOC máximo 0,8
cs_max_pwr_rise_rate Taxa de incremento de potência da
célula a combustível 22,8 kW/s
cs_charge_deplete_bool 1=> Modo "charge deplete"
0=> Modo "charge sustaining" 0
cs_min_pwr Mínima potência requerida para a célula
a combustível 15 kW
35
A Figura 3.4 mostra a tela de interface do Advisor para as entradas do veículo. Observa-se que
certos parâmetros, como a potência e a eficiência do motor elétrico, devem ser configurados
diretamente nos campos da tela de interface com o usuário.
Figura 3.4. Interface do Advisor para as entradas do veículo.
O Advisor também possui uma tela para a definição das condições iniciais de operação, a qual foi
desenvolvida prevendo a utilização de um motor de combustão interna. Essa tela foi adaptada para
a hipótese do propulsor ser uma célula a combustível. Foram consideradas as condições iniciais de
temperatura de 25º C e o estado de carga inicial da bateria no nível de 80%, conforme mostrado
na Tabela 3.5.
36
Tabela 3.5. Condições iniciais de operação.
Código do Advisor Condições de entrada Valor
Ambiental amb_tmp Temperatura Ambiente (°C) 25
air_cp Calor específico do ar (J/kg/K) 1009
Célula de
combustível
fc_c_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível (°C) 25
fc_i_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Interna (°C) 25
fc_x_init_tmp Temperatura da Célula a Combustível: Externa (°C) 25
fc_h_init_tmp Temperatura da Carcaça (°C) 25
Bateria ess_mod_init_tmp Temperatura do Módulo da Bateria (°C) 25
Controle mc_init_tmp Temperatura do controlador (°C) 25
ess_init_soc Estado de carga inicial da bateria 80%
A Figura 3.5 apresenta a etapa de simulação do Advisor que solicita ao usuário a introdução das
condições iniciais de operação do veículo.
Figura 3.5. Tela do Advisor para definição de condições iniciais de operação.
37
3.3. Resultados de validação
O presente item tem como objetivo avaliar os resultados da simulação do Toyota Mirai diante das
entradas definidas na Tabela 3.4 e compará-los aos dados de performance experimentais
disponibilizados pela Toyota e a EPA.
Primeiramente, foram avaliadas as saídas do Advisor para as simulações de um ciclo HWFET e
um ciclo UDDS, devido à maior facilidade de interpretação dos gráficos nestas configurações.
No entanto, observou-se que a simulação de um ciclo HWFET ou UDDS não é o indicativo
adequado do consumo de combustível médio. Isso porque, para distâncias curtas, o estado de carga
(SOC) inicial da bateria apresenta grande influência no consumo de combustível.
Na configuração de SOC inicial alto, parte significativa do fornecimento de potência inicial deriva
apenas da descarga da bateria, reduzindo o consumo de combustível em um primeiro momento.
Por outro lado, o aumento do consumo de combustível é notável na configuração de SOC inicial
baixo, uma vez que a célula a combustível logo deve ser acionada para a recarga da bateria.
Dessa forma, observou-se que, com o aumento do número de ciclos, o impacto do SOC inicial da
bateria no consumo de combustível foi diluído. Posteriormente, foram realizadas simulações de 30
ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS para avaliação do consumo de combustível médio do modelo
simulado.
A Figura 3.6 apresenta a tela principal de saída do Advisor referente à simulação do Toyota Mirai
modelo 2016/2017, sob as condições de 1 ciclo HWFET e SOC inicial configurado em 80%. Nota-
se que o modelo simulado não apresenta emissões de poluentes locais, conforme especificado pelo
fabricante.
38
Figura 3.6. Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 1 ciclo HWFET.
A Figura 3.7 mostra a potência resultante disponível ao motor elétrico do veículo simulado.
Observa-se que a demanda de potência é de grande variabilidade e, até os 300 segundos, a potência
mínima de 15 kW – para o acionamento da célula a combustível – não é consistentemente
ultrapassada. Os valores negativos no gráfico são referentes à frenagem regenerativa.
39
Figura 3.7. Potência disponível (W) para o motor elétrico na simulação de 1 ciclo HWFET.
A Figura 3.8 ilustra o desempenho da célula a combustível simulada em 1 ciclo HWFET. A Figura
3.8 (a) mostra a potência fornecida pela célula a combustível durante o percurso e destaca o
acionamento da célula a combustível continuamente no intervalo de 300 a cerca de 750 segundos.
A Figura 3.8 (b) apresenta a eficiência da célula a combustível. Os pontos em vermelho
correspondem à faixa de operação da célula a combustível. Dessa maneira, observa-se que o
funcionamento da célula a combustível do modelo está operando na faixa de rendimento máximo,
conforme vislumbrado na estratégia de controle.
40
(a) (b)
Figura 3.8. Funcionamento da célula combustível simulada em 1 ciclo HWFET.
A Figura 3.9 apresenta a potência fornecida pela bateria ao longo de 1 ciclo HWFET. Identifica-
se que, conforme estabelecido na estratégia de controle, a bateria é acionada para responder aos
transitórios de potências devido à sua resposta rápida. A partir de 300 segundos, os valores
negativos são referentes à recarga da bateria e provenientes de fluxos de energia da célula a
combustível e da frenagem regenerativa.
41
Figura 3.9. Potência fornecida pela bateria (W) em 1 ciclo HWFET.
A Figura 3.10 apresenta a quantidade de H2 em litros consumida em 1 ciclo HWFET. Pode-se
observar que o consumo de combustível ocorre apenas quando a célula a combustível está acionada
e fornecendo potência.
42
Figura 3.10. Consumo de H2 em litros.
Em continuidade à análise, foram avaliados os resultados da simulação do Toyota Mirai para 1
ciclo UDDS. A Figura 3.11 mostra a tela de saída dessa simulação. Nota-se que o consumo de
combustível para 1 ciclo UDDS é baixo, uma vez que, nesse curto percurso, a descarga da bateria
é responsável por grande parte do fornecimento de potência para o motor elétrico.
43
Figura 3.11. Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 1 ciclo UDDS.
A Figura 3.12 mostra a potência disponível ao motor elétrico na simulação de 1 ciclo UDDS.
Observa-se que na simulação de 1 ciclo UDDS as demandas de potência do motor apresentam um
perfil mais variável do que os apresentados na Figura 3.7, a qual é referente à simulação para ciclos
HWFET. Esse comportamento deriva dos números de acelerações e desacelerações esperados no
percurso urbano, os quais são maiores quando comparados ao do percurso em rodovias.
44
Figura 3.12. Potência disponível (W) para o motor elétrico na simulação de 1 ciclo UDDS.
A Figura 3.13 ilustra o funcionamento da célula a combustível e da bateria simuladas em 1 ciclo
HWFET. A Figura 3.13 (a) mostra a potência fornecida pela célula a combustível durante o
percurso. Nota-se que o acionamento da célula a combustível limita-se a curtos intervalos de
tempo, se comparados ao observado no ciclo HWFET. Isso ocorre em razão da ausência de
continuidade de potência requerida acima de 15 kW. Dessa forma, a estratégia de controle
estabelecida no item 3.2.3 privilegia o acionamento da bateria tanto para baixas potências, quanto
para os transitórios de acelerações. A Figura 3.13 (b) ilustra a potência fornecida pela bateria ao
longo do percurso.
45
(a) (b)
Figura 3.13. Funcionamento da célula a combustível e da bateria simuladas em 1 ciclo UDDS.
Posteriormente, foram realizadas simulações de 30 ciclos HWFET (495,2 km) e de 30 ciclos
UDDS (359,7 km) visando a avaliação dos resultados de performance do modelo simulado. Como
explicado anteriormente no presente item, o aumento do percurso é necessário para maior precisão
na análise do consumo médio de combustível. Sendo assim, o objetivo dessa etapa é a validação
do modelo simulado
A Figura 3.14 apresenta os resultados da simulação do Toyota Mirai no Advisor, de acordo com
as entradas estabelecidas no item 3.2, para 30 ciclos HWFET. Os resultados das simulações serão
resumidos e comentados mais adiante.
46
Figura 3.14: Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 30 ciclos HWFET.
A Figura 3.15 mostra o resultado da simulação do Toyota Mirai para 30 ciclos UDDS.
Figura 3.15: Tela de saída da simulação do Toyota Mirai para 30 ciclos UDDS.
47
A Tabela 3.6 agrega os dados de performance disponibilizados para o Toyota Mirai modelo
2016/2017 já apresentados no item 3.1 e servirá como base para a validação do modelo simulado
no Advisor. A maior parte dos dados de performance do Toyota Mirai, assim como os resultados
da simulação, são disponibilizados no padrão de medidas da EPA. Dessa forma, a Tabela 3.6 é
estruturada pelos dados divulgados pela EPA e suas respectivas conversões para as unidades de
medidas do Sistema Internacional.
Tabela 3.6. Dados de performance do Mirai disponibilizado pela Toyota.
Item Valor
Consumo de Combustível - EPA MPGE (Le/100 km) 67 (3,5)
Velocidade máxima km/h (mph) 111 (178,6)
Aceleração de 0-60 mph em segundos (0-95,6 km/h) 9,0
Aceleração de 0-62 mph em segundos (0-99,8 km/h) 9,6
Autonomia milhas (km) 312 (502,1)
A Tabela 3.7 compara os resultados de performance, gerados na simulação do Advisor para 30
ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS, retratados, respectivamente, nas Figura 3.14 e Figura 3.15, em
relação aos dados disponibilizados pelo fabricante e apresentados na Tabela 3.6.
48
Tabela 3.7. Validação da simulação do Toyota Mirai.
Resultado da
Simulação
Dados do
Fabricante/Testes Diferença (%)
Consumo de Combustível - UDDS
MPGE (Le/100 km) 54,8 (4,29) - -
Consumo de Combustível -
HWFET MPGE (Le/100 km) 70,6 (3,33) - -
Consumo de Combustível -
Combinado MPGE (Le/100 km) 60,9 (3,86) 67 (3,51) -9,0% (+9.9%)
Autonomia milhas (km) 310,5 (499,7) 312 (502,1) -0,5%
Velocidade máxima mph (km/h) 97,6 (157,1) 111 (178,6) -12,1%
Aceleração de 0-62 mph em
segundos (0-95,6 km/h) 8,8 9,0 -2,2%
Aceleração de 0-62 mph em
segundos (0-99,8 km/h) 9,4 9,6 -2,1%
Observa-se que o consumo estimado de combustível e os tempos de aceleração obtidos na
simulação apresentam discrepâncias abaixo de 10% em relação aos dados experimentais
disponibilizados pela Toyota. A principal divergência entre os dados simulados e as especificações
do fabricante encontra-se na velocidade máxima do veículo. Esta, sendo de 97,6 mph quando
resultante da simulação, é cerca de 12,1% abaixo do proposto pelo fabricante.
Ainda assim, avaliou-se que os desvios entre dados simulados e experimentais estão dentro de
limites razoáveis de simulações veiculares. Diante dessa observação, o modelo base do Toyota
Mirai foi validado. A partir dessa validação, torna-se possível a proposição de novos
aperfeiçoamentos em etapas posteriores.
49
4. Proposta de novas configurações veiculares
4.1. Estudo de hibridização
Conforme visto no item 2.1, os veículos à célula a combustível, em geral, são híbridos, ou seja,
contam com um sistema de armazenamento de energia em um banco de baterias, além do sistema
da célula a combustível.
Dessa forma, Feroldi et al. [21] constatam que, em um sistema híbrido, a potência requerida para
tração e para os componentes auxiliares do veículo é fornecida em parte pelo sistema da célula a
combustível, parte pelo sistema de armazenamento de energia, de acordo com a estratégia de
controle de energia definida.
A proporção da máxima potência total fornecida por cada subsistema é definida pelo grau de
hibridização (HD).
Feroldi et al. [1] propõem o grau de hibridização de um FCHEV como a relação entre a potência
máxima do sistema de armazenamento de energia e a potência máxima da célula a combustível,
conforme mostra a equação (4.1).
HD = Pess,max
Pfcs,max + Pess,max x 100 [%] (4.1)
A partir da equação (4.1), infere-se que o grau de hibridização de 100% indica um veículo apenas
com banco de baterias, isto é, sem célula a combustível; em contrapartida, 0% indica um veículo
a célula a combustível puro, sem banco de baterias.
As funções do sistema de armazenamento de energia em um FCHEV são:
a) fornecimento de potência em transitórios (acelerações), reduzindo o tempo de resposta
transiente do veículo;
b) fornecimento de potência complementar a célula a combustível durante ciclos de condução;
c) armazenamento de energia recuperada a partir da frenagem regenerativa;
d) fornecimento de energia para sistemas auxiliares do veículo, como o sistema de ar
condicionado, freio elétrico, entre outros;
50
e) possibilita a execução de uma estratégia de gestão de energia em que a célula a combustível
é apenas acionada em potências intermediárias e correspondentes à sua zona de alta
eficiência.
Dessa maneira, as vantagens dos FCHEVs da hibridização são:
a) redução do consumo de combustível devido à recuperação de energia a partir da frenagem
regenerativa. Essa vantagem se destaca nos ciclos UDDS em que há maior frequência de
frenagem em relação aos ciclos HWFET;
b) aumento da eficiência de operação da célula a combustível e consequente redução de
consumo de combustível, devido à uma estratégia de controle de energia adequada;
c) redução dos custos de produção em razão da necessidade de menor empilhamento das
unidades de células a combustível. Isso deve-se à potência suplementar da bateria para
atender a potência máxima de projeto requerida pelo motor elétrico;
d) redução do tempo de aceleração. Conforme explicado no item 2.3.2, a resposta transiente
do sistema a célula a combustível é relativamente lenta, enquanto a resposta transiente das
baterias e dos supercapacitores é rápida.
A partir dos benefícios da hibridização apresentados e sob a ótica da variação do grau de
hibridização, será realizado o estudo da performance do Toyota Mirai. O objetivo é avaliar
possíveis otimizações do FCHEV simulado.
A avaliação do grau de hibridização requer que a soma das potências dos subsistemas da célula a
combustível e do banco de baterias se mantenha constante. Ou seja, o aumento da potência máxima
da célula a combustível implica na redução equivalente da potência máxima do banco de baterias,
e vice-versa. Se assim não fosse, a capacidade de fornecimento de potência máxima ao motor
elétrico e aos sistemas auxiliares seria alterada e, consequentemente, as simulações realizadas não
seriam correspondentes ao modelo base do Toyota Mirai.
4.1.1. Limites de hibridização
Em 1993, o governo Clinton criou uma iniciativa denominada “Partnership for a New Generation
Vehicles” (PNGV). Tratava-se de uma parceria entre as três maiores corporações nacionais de
automóveis.
51
A PNGV [37] estabelece que os requisitos básicos de performance de um veículo médio devem
ser:
a) para uma velocidade constante de 55 mph (88,5 km/h), o veículo deve ser capaz de subir
aclives com inclinação de 6,5% durante 20 minutos;
b) aceleração de 0 a 60 mph (96,6km/h) em 12 segundos;
c) velocidade máxima de 85 mph (136,8km/h).
Além dos requisitos básicos de veículos médios determinados pela PNGV, são adicionadas outras
limitações à um FCHEV em que a bateria opera no modo “charge sustaining”. Segundo
Ahluwalia, Wang e Rousseau [20], a célula a combustível de um FCHEV deve, sozinha, ser capaz
de atender às potências contínuas requeridas e esperadas. Isso inclui a manutenção do veículo
operando a 55 mph (88,5 km/h) em uma inclinação de 6,5 % por 20 minutos. Dessa forma, garante-
se que a célula a combustível seja capaz de manter a bateria em um SOC acima do mínimo
estabelecido, conforme previsto no modo “charge sustaining”.
Antes do início da simulação de diferentes graus de hibridização aplicados ao modelo base do
Toyota Mirai, simulado no item 3.3, faz-se necessária a determinação dos limites de hibridização.
Dessa forma, a obtenção dos limites inferior e superior de hibridização se deu pela observação de
testes de capacidade de subida em rampa e testes de acelerações, ambos para diferentes
configurações de hibridizações do modelo base do Toyota Mirai.
A variação do grau de hibridização em relação à simulação base envolve apenas a variação das
potências da célula a combustível e da bateria. Nota-se, no entanto, que, conforme apresentado
anteriormente, a potência máxima de fornecimento da soma dos subsistemas é mantida constante.
Como a potência específica da célula a combustível é maior do que a potência específica da bateria
do modelo, a massa do veículo é alterada com a variação do grau de hibridização. Entretanto, todos
os outros dados de entrada do modelo são mantidos constantes.
A Figura 4.1 mostra a aba do Advisor para a simulação do teste de capacidade subida em rampa
do veículo. O teste proposto ocorre de forma que, na velocidade constante de 55 mph e durante
1200 segundos, o software gere a máxima inclinação que o sistema da célula a combustível é capaz
de manter o veículo.
52
Figura 4.1. Aba do Advisor para teste de capacidade de subida em rampa.
O teste de aceleração é realizado assumindo o funcionamento da célula a combustível e da bateria
e resulta no tempo mínimo de aceleração de 0-60 mph do modelo simulado.
A Tabela 4.1 apresenta os dados de entrada para as simulações realizadas de diferentes graus de
hibridização. Nela, destaca-se que a potência máxima da célula a combustível somada à potência
máxima da bateria de NiMH é constante em todas as configurações de graus de hibridização.
Ademais, é possível observar que o aumento do grau de hibridização resulta no aumento da massa
do veículo, uma vez que a potência específica da bateria de NiMH é menor que a da célula a
combustível.
53
Tabela 4.1. Dados de Entrada das simulações de grau de hibridização do Toyota Mirai.
Grau de
hibridização
Potência
máxima da
célula a
combustível
Potência
máxima da
bateria de
NiMH
Módulos
de
bateria
Massa do
banco de
baterias
Massa do
empilhamento
de célula a
combustível
Massa do
veículo
com
carga
18,7% 130 kW 29,9 kW 22 23 kg 64 kg 1982 kg
19,3% 129 kW 30,9 kW 23 24 kg 63 kg 1982 kg
28,7% 114 kW 45,9 kW 34 35 kg 56 kg 1986 kg
40,0% 96 kW 63,9 kW 47 49 kg 47 kg 1991 kg
50,0% 80 kW 79,9 kW 59 61 kg 39 kg 1995 kg
60,0% 64 kW 95,9 kW 71 74 kg 31 kg 2000 kg
70,0% 48 kW 111,9 kW 83 86 kg 24 kg 2005 kg
70,6% 47 kW 112,9 kW 84 87 kg 23 kg 2005 kg
Os resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa para diferentes graus de
hibridização simulados são apresentados na Figura 4.2.
54
Figura 4.2. Resultados para os testes de aceleração e capacidade de subida em rampa.
Os resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa para diferentes graus de
hibridização do Toyota Mirai são resumidos e apresentados na Tabela 4.2. Os resultados indicam
que a diminuição do grau de hibridização implica no aumento do tempo de aceleração. Por outro
lado, o aumento do grau de hibridização reduz a inclinação máxima em que a célula a combustível
é capaz de sustentar, durante 20 minutos e de maneira autônoma, o veículo a 55 mph.
(a) Simulação Hibridização 18,7% (b) Simulação Hibridização 19,3%
(c) Simulação Base (HD = 28,7%) (d) Simulação Hibridização 40,0%
(e) Simulação Hibridização 50,0% (f) Simulação Hibridização 60,0%
(g) Simulação Hibridização 70,0% (h) Simulação Hibridização 70,6%
55
Tabela 4.2. Resultados dos testes de aceleração e capacidade de subida em rampa.
Hibridização 18,7% 19,3% 28,7% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 70,6%
Máxima inclinação
sustentada apenas
pelo FCS a 55 mph
por 20 minutos
12,9% 13,5% 17,8% 15,0% 12,4% 9,5% 6,6% 6,4%
Aceleração do
veículo de 0 a 60 mph
com fornecimento de
potência pelo FCS e
banco de baterias
12,4 s 11,8 s 8,8 s 7,9 s 7,6 s 7,6 s 7,6 s 7,6 s
Dessa forma, a identificação do limite inferior do grau de hibridização é estabelecida pelo tempo
de aceleração abaixo da restrição; já o limite superior é definido pela máxima inclinação que a
célula a combustível, autonomamente, é capaz de manter o veículo.
Assim, o limite inferior foi assumido como sendo de 19,3%, uma vez que a próxima possibilidade
de redução do grau de hibridização implicaria em um tempo de aceleração acima da restrição
proposta. Por outro lado, o limite superior do grau de hibridização foi definido em 70,0%, posto
que, a partir de 70,6%, a inclinação máxima que o sistema da célula a combustível é capaz de
sustentar difere em 6,5% para menos da restrição estabelecida.
4.1.2. Avaliação de performance
Simulações foram efetuadas a partir da variação do grau de hibridização do modelo atual, visando
avaliar possíveis otimizações ao Toyota Mirai. Dessa maneira, os graus de hibridização
apresentados em 4.1.1 e dentro dos limites estabelecidos serviram como base para as simulações
de 30 ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS.
Os resultados para as simulações de diferentes graus de hibridização diante de 30 ciclos HWFET
são apresentados na Figura 4.3; as performances obtidas serão resumidas e comentadas mais
adiante. Já a Figura 4.4 mostra as telas de saída do Advisor para os graus de hibridização
56
determinados diante de 30 ciclos UDDS. Em ambas as figuras é possível observar o aumento do
tempo de operação da célula a combustível com o aumento do grau de hibridização. Isso decorre,
em grande parte, da redução da potência mínima de operação da célula a combustível.
Foi observado que, com a redução de sua potência máxima, a distribuição da zona de alta eficiência
da célula a combustível se deslocava para potências inferiores. Dessa forma, avaliou-se que era
adequada a redução gradual da potência mínima de operação da célula a combustível até 10 kW,
em caso de o grau de hibridização ser de 70,0%. A Figura 4.5 ilustra a variação da curva de
eficiência da célula a combustível com o aumento do grau de hibridização.
Os resultados de performance obtidos serão resumidos e comentados mais adiante.
(a) Hibridização de 19,3%
57
(b) Hibridização de 40,0%
(c) Hibridização de 50,0%
58
(e) Hibridização de 70,0%
Figura 4.3 Telas de saídas do Advisor para simulações de diferentes graus de hibridização diante
de 30 ciclos HWFET.
(d) Hibridização de 60,0%
59
(a) Hibridização de 19,3%
(b) Hibridização de 40,0%
60
(c) Hibridização de 50,0%
(d) Hibridização de 60,0%
61
(e) Hibridização de 70,0%
Figura 4.4 Telas de saídas do Advisor para simulações de diferentes graus de hibridização diante
de 30 ciclos UDDS.
62
(a) Simulação base, de HD equivalente à 28,7%, para 30 ciclos UDDS.
(b) Simulação com HD equivalente à 70,0% para 30 ciclos UDDS
Figura 4.5. Curva de eficiência da célula a combustível para diferentes simulações.
63
A Tabela 4.3 sumariza os resultados das simulações de diferentes graus de hibridização dentro dos
limites estabelecidos em 4.1.1 para 30 ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS. Os resultados gerados
pelo Advisor indicam uma redução do consumo de combustível e, também, do tempo de aceleração
conforme o aumento do grau de hibridização. A velocidade máxima apresenta pequenas variações
e, em todos os casos, é mantida significativamente acima do proposto pela PNGV.
Tabela 4.3. Resultados de performance das simulações de hibridização do Toyota Mirai.
Grau de hibridização 19,3% 28,7% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0%
Consumo de Combustível -
UDDS (MPGE) 51,6 54,8 54,6 56,4 57,4 58,5
Consumo de Combustível -
HWFET (MPGE) 67,1 70,6 72,5 73,2 75,0 77,0
Consumo de Combustível -
Combinado (MPGE) 57,6 60,9 61,4 62,9 64,2 65,6
Velocidade máxima (mph) 98,1 97,6 97,5 97,5 97,4 97,4
Aceleração de 0-60 mph (s) 11,8 8,8 7,9 7,6 7,6 7,6
Aceleração de 0-62 mph (s) 12,7 9,4 8,4 8,0 8,0 8,0
Dessa forma, o estudo proposto avalia que há ganhos consistentes de performance com o aumento
do grau de hibridização (HD) do Toyota Mirai, até o limite superior de 70,0%. Em comparação à
simulação base, cujo HD é de 28,7%, há uma economia estimada em 7,6% no consumo de
combustível no ciclo combinado. Ademais, obteve-se uma redução de 1,4 segundos – cerca de
13,6% – no tempo de aceleração de 0-62 mph. No item 5.4 será avaliado se essa otimização
também ocasiona benefícios financeiros.
64
4.2. Estudo de alteração de bateria
Como introduzido em 2.4, as baterias de Li-ion vêm se destacando pela rápida inserção no mercado
de veículos elétricos. Nesse cenário, o Toyota Mirai se configura como um dos principais veículos
híbridos que ainda utilizam a bateria de NiMH. Esse tópico tem como objetivo a avaliação da
performance do Toyota Mirai em vista da mudança de sua bateria de NiMH para uma equivalente
de Li-ion. Tais análises serão feitas conforme as configurações de simulação base, cujo grau de
hibridização (HD) é de 28,7%, e também com o HD determinado em 70,0%, referente à proposta
de otimização explicada em 4.1.2.
As simulações de alteração consistiram na manutenção da capacidade da bateria, característica de
18 Ah e peso do módulo de 1,04 kg. No entanto, a potência específica da bateria de Li-ion,
configurada no Advisor para tais especificações, é de 1,8 kW/kg, isto é, cerca de 0,5 kW/kg maior
do que a potência específica da bateria de NiMH. Assim sendo, fez-se necessária a redução do
número de módulos para que, em cada simulação, a potência máxima do banco de baterias se
mantivesse constante. Posto isto, o objetivo do presente item é avaliar o impacto da mudança do
tipo de bateria, mantendo-se a potência máxima fornecida e o grau de hibridização constantes.
Dessa forma, na alteração do tipo de bateria da simulação base, de NiMH para Li-ion, o número
de módulos de bateria foi reduzido para 25, buscando equivalência com a potência máxima de 45,9
kW do banco de baterias de NiMH. Consequentemente, houve uma redução de 9 kg do veículo
simulado.
O resultado da simulação base diante de 30 ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS é apresentado na
Figura 4.6
65
(a) 30 ciclos HWFET
(b) 30 ciclos UDDS
Figura 4.6. Telas de saída do Advisor para a simulação do Toyota Mirai com alteração para a
bateria de Li-ion.
66
A alteração para a bateria de Li-ion proporciona ganhos significativos de economia de
combustível, como é possível observar na Figura 4.7. De fato, a bateria de Li-ion simulada
apresenta maior eficiência quando comparada à bateria de NiMH.
(a) Eficiência da bateria de NiMH na simulação base para 30 ciclos UDDS.
(b) Eficiência da bateria de Li-ion na simulação base para 30 ciclos UDDS.
Figura 4.7. Resultados do Advisor para eficiência dos tipos de bateria simulados.
67
Posteriormente, foram efetuadas simulações de alteração do tipo de bateria para o modelo
configurado com grau de hibridização de 70,0%. A mesma metodologia foi aplicada, tendo como
único diferencial a potência máxima do banco de baterias do modelo, sendo, neste caso, de 111,9
kW, conforme mostra a Tabela 4.1. Assim, foram necessários 60 módulos de bateria de Li-ion para
atingir a mesma potência máxima dos 83 módulos de bateria de NiMH, conforme proposto na
simulação de grau de hibridização de 70,0% do Toyota Mirai. Os resultados dessas simulações
para 30 ciclos HWFET e 30 ciclos UDDS são mostrados na Figura 4.8.
(a) 30 ciclos HWFET.
68
(b) 30 ciclos UDDS.
Figura 4.8. Telas de saída do Advisor para a simulação do Toyota Mirai com grau de
hibridização de 70,0% e alteração para a bateria de Li-ion.
A Tabela 4.4 sumariza os resultados do estudo da alteração do tipo de bateria no Toyota Mirai.
Em ambos os graus de hibridização propostos, é possível a observação de ganhos expressivos em
economia de combustível e na redução do tempo de aceleração do veículo a partir da mudança
para a bateria de Li-ion. A redução do consumo de combustível chega a ser de 7,1% quando o grau
de hibridização é de 28,7%; já a redução do tempo de aceleração fica em cerca de 20% quando o
grau de hibridização é de 70,0%. Cabe destacar que a potência máxima atingida pelo banco de
baterias de Li-ion diverge marginalmente dos correspondentes. Isso ocorre devido à limitação de
flexibilidade do software, o qual define a potência específica da bateria indiretamente a partir das
entradas do número de módulos e capacidade.
69
Tabela 4.4. Comparativo das simulações do Toyota Mirai para diferentes HDs e tipos de bateria.
HD=28,7% HD=70,0%
34 módulos
de bateria de
NiMH
25 módulos
de bateria de
Li-ion
83 módulos
de bateria de
NiMH
60 módulos
de bateria de
Li-ion
Potência Máxima da
Bateria (kW) 45,9 46,7 111,9 112,1
Voltagem Nominal 262 267 639 640
Peso do veículo com carga
(kg) 1986 1977 2005 1981
Consumo de Combustível -
UDDS (MPGE) 54,8 59,1 58,5 63
Consumo de Combustível -
HWFET (MPGE) 70,6 74,9 77,0 78,7
Consumo de Combustível -
Combinado (MPGE) 60,9 65,3 65,6 69,2
Velocidade máxima (mph) 97,6 97,6 97,4 96,7
Aceleração de 0-60 mph (s) 8,8 8,5 7,6 6,1
Aceleração de 0-62 mph (s) 9,4 9,0 8,0 6,4
Os resultados do presente item corroboram para a otimização do veículo através da troca do tipo
de bateria para Li-ion, assim como os resultados em 4.1.2 apontam para um ganho de performance
com o aumento do grau de hibridização até seu limite superior. No entanto, sabe-se que uma das
principais desvantagens da bateria de Li-Ion em relação às de NiMH é o custo inicial do banco de
baterias. Para tal, é necessária a avaliação econômica das mudanças propostas, a fim de que as
otimizações levantadas impliquem em um impacto positivo ao consumidor final.
70
A Figura 4.9 e a Figura 4.10 ilustram os principais resultados do capítulo. A Figura 4.9 mostra a
redução do consumo de combustível, em kWh/100km, com o aumento do grau de hibridização,
bem como a partir da alteração da bateria para Li-ion. Já a Figura 4.10 apresenta os resultados das
simulações que indicam uma redução do tempo de aceleração do veículo de 0-60 mph (0-95,6
km/h) para as mesmas propostas de mudanças de configurações. A linha azul da figura mostra o
efeito do aumento do grau de hibridização no tempo de aceleração do modelo simulado, utilizando-
se da bateria padrão de NiMH. Os pontos verdes representam o tempo de aceleração mediante
alteração da bateria para Li-ion e sob as configurações de grau de hibridização base (HD sendo de
28,7%) e 70,0%.
Figura 4.9 Consumo de energia pela célula a combustível em kWh para diferentes configurações
veiculares.
40,6
31,2
36,4
38,2
29,7
34,4
38,4
28,9
34,1
37,1
28,6
33,3
36,5
27,9
32,6
35,8
27,2
31,933,2
26,6
30,3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
UDDS HWFET Ciclo combinado
Hibridização de 19,3% Simulação base (HD=28,7%)
Hibridização de 40,0% Hibridização de 50,0%
Hibridização de 60,0% Hibridização de 70,0%
Hibridização de 70,0% com bateria de Li-Ion
kW
h/1
00
km
71
Figura 4.10. Tempo de aceleração de 0-60 mph em função do grau de hibridização e do tipo de
bateria.
Em comparação à simulação base do Toyota Mirai, a simulação que combinou as propostas de
grau de hibridização de 70,0% e a utilização da bateria de Li-ion apresentou uma redução no
consumo de combustível de cerca de 12% associada à uma redução de 2,7 segundos no tempo de
aceleração de 0-60 mph.
Dessa forma, avalia-se que os resultados desse capítulo tenham sido expressivos. Conforme
detalhado, ambas as propostas – de aumento do grau de hibridização e da mudança do tipo de
bateria – geraram reduções significativas do consumo de combustível e também dos tempos de
aceleração do modelo simulado. Sendo assim, conclui-se que as propostas de configuração do grau
de hibridização do Toyota Mirai em 70,0% e a alteração do seu banco de baterias para Li-ion
apresentam elevado potencial de melhoria de performance ao veículo atual.
11,8
8,8
7,97,6 7,6 7,6
8,5
6,1
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
19,3% 28,7% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0%
Bateria de NiMH
Bateria de Li-Ion
Grau de hibridização
72
5. Análise Econômica
Esse capítulo visa realizar uma análise econômica ampla do Toyota Mirai e das propostas de novas
configurações abordadas no capítulo 4. Dessa forma, a priori, discutem-se as condições de
operação do veículo. Em seguida, serão levantados dados e hipóteses de custos dos componentes
do Toyota Mirai. Após essas duas etapas, serão elaborados os custos de produção, venda e
operação do veículo. Os resultados serão validados de acordo com o preço do Toyota Mirai no
mercado. Finalmente, nos últimos itens será avaliado, de uma perspectiva econômica, o benefício
das modificações do veículo no que tange ao grau de hibridização e ao tipo de bateria. É importante
ressaltar que a análise econômica realizada nesse capítulo é referente ao mercado americano
devido à extensa literatura disponível.
5.1. Condições de operação e vida útil
As condições de operação do veículo não são uniformes entre consumidores. Além disso, veículos
de mesmo modelo e diante das mesmas condições de operação podem apresentar vidas úteis
diferentes, conforme lote de fabricação, entre outros fatores. Dessa forma, o presente item irá
definir hipóteses para as condições de operação e vida útil dos componentes do Toyota Mirai de
acordo com valores médios estimados.
Primeiramente, foi definida a distância média anual percorrida pelo veículo. A base de dados do
FASTSim estima que o condutor americano percorre uma distância média de 12.375 milhas por
ano, aproximadamente 19.924 km, quando o veículo atinge o tempo de meia vida. Além disso, o
software também estima a redução da distância percorrida por ano em 546 milhas,
aproximadamente 879 km. Ou seja, para que um veículo tenha Y anos de vida útil, a distância
média percorrida no ano Y/2 é de 12.375 milhas. A cada ano anterior a Y/2 são acrescidas 546
milhas à distância média percorrida; o inverso ocorre para cada ano posterior a Y/2.
Tais hipóteses de distância média percorrida serão mantidas após a definição da vida útil do
veículo. Dessa maneira, a equação (5.1) foi elaborada para a obtenção da distância média
percorrida em um mês. A formulação proposta será recorrentemente utilizada nas etapas
73
posteriores, a fim de obter as estimativas de despesas de combustível ao longo da vida útil do
veículo.
D(t) = (tútil
2−
t
12) x (
Rano
12) + (
Dm
12) (5.1)
Onde t é o número de meses desde a compra do veículo; D(t) é a distância média percorrida no
mês t em milhas; tútil é a vida útil do veículo am anos; Rano é a redução da distância percorrida
por ano em milhas; e Dm é a distância média percorrida na vida média do veículo em milhas.
A única variável ainda não definida da equação é a vida útil do Toyota Mirai. Como o veículo
começou a ser produzido em 2013, não foi possível a obtenção de dados empíricos que indiquem
sua vida útil. No entanto, como será abordado no item 5.3, estima-se que, atualmente, a célula a
combustível seja o componente mais caro do veículo. Dessa forma, avaliou-se que a vida útil do
mesmo deve ser equivalente à vida útil da célula a combustível, tendo em vista que uma troca
futura da célula a combustível custaria mais do que o próprio valor do carro depreciado. Além
disso, com o avanço da tecnologia, as células a combustível futuras podem não ser compatíveis
com o modelo do Toyota Mirai 2016/2017.
A Toyota estabelece a garantia do sistema da célula a combustível do Toyota Mirai por 8 anos ou
100.000 milhas, que, convertidas, representam 160.934 km. No entanto, a empresa não
disponibiliza a estimativa da vida útil da célula a combustível PEMFC, tampouco o FASTSim.
Dessa forma, foi necessária a elaboração da hipótese da vida útil baseada em outras fontes da
literatura. A DOE [22] estabelece que a meta de expectativa de vida das células a combustível de
um FCHEV deve ser de 150.000 milhas, aproximadamente 241.402 km, até o ano de 2020. No
mesmo estudo é divulgado que a célula a combustível de FCHEVs com maior vida útil até 2015
apresentou durabilidade de 5.600 horas, que corresponderiam à cerca de 168.000 milhas (~270.370
km). Dessa maneira, a expectativa de vida da célula a combustível do Mirai foi assumida em
150.000 milhas no presente trabalho.
Sendo assim, faz-se imprescindível a utilização da Equação (5.1), a qual relaciona a vida útil do
veículo, seja ela em anos ou meses, e a distância percorrida. A partir do processo interativo, obtém-
se que a vida útil estimada do veículo é de 145 meses, isto é, 12,08 anos. Dessa forma, nota-se que
74
vida útil esperada para o Toyota Mirai se encontra abaixo da vida útil de um veículo convencional,
a qual está estimada em 15 anos, conforme a base de dados do FASTSim.
Por fim, a expectativa de vida da bateria de NiMH do Toyota Mirai é estimada em 159.250 milhas
(256.288 km) pela base de dados do FASTSim. Sendo assim, assumiu-se essa hipótese para o
presente trabalho. Nota-se que tal expectativa de vida da bateria de NiMH está acima da vida útil
estimada do veículo, a qual foi apresentada anteriormente.
A Tabela 5.1 resume as hipóteses de condições de operações e vida útil elaborada nesse item. Essas
hipóteses serão utilizadas para cálculos posteriores ao longo desse capítulo.
Tabela 5.1. Hipóteses de condições de operação e vida útil adotadas.
Especificação Hipóteses
Vida útil da célula a combustível (km) 241.402
Vida útil da bateria (km) 256.288
Vida útil do veículo (km) 241.402
Vida útil do veículo (anos) 12,08
Distância média percorrida por ano (km) 19.916
Redução da distância percorrida por ano (km) 879,0
5.2. Custos
O estudo de custos do Toyota Mirai foi desmembrado em levantamento de custos de produção dos
componentes do veículo, despesas de combustíveis ao consumidor e hipóteses financeiras de
margens ao longo da cadeia produtiva, impostos de venda e taxa de desconto. Todos os custos
foram definidos conforme os dados mais recentes encontrados e são avaliados em dólares
americanos.
O objetivo da análise econômica é comparar diferentes configurações veiculares. Sendo assim,
avaliou-se que os custos das manutenções periódicas e aleatórias teriam efeito comparativo
marginal ao estudo de diferentes configurações. Dessa forma, a análise não englobará tais custos.
Além disso, conforme explicado no item 5.1, as expectativas de vida da célula a combustível e da
bateria estimadas são maiores ou iguais à vida útil do veículo, isto é, durante a vida útil do veículo
não há a expectativa de troca da célula a combustível ou da bateria.
75
Para o levantamento de custos, os componentes do veículo foram discriminados em motor elétrico,
célula a combustível, tanque de hidrogênio, banco de baterias e carroceria do veículo, além de
componentes extras.
Segundo a base de dados do FASTSim, a estimativa de custo do Toyota Mirai, descontando motor
elétrico, bateria, célula a combustível e tanque de combustível, é de $17.014,00. O FASTSim
também estabelece que o custo da célula a combustível do FCHEV é de 170,00 $/kW. O tanque
de hidrogênio é avaliado em 16,00 $/kWh pela base de dados do software. Por fim, o FASTSim
esmiúça o custo do motor elétrico em um valor fixo de $425,00 mais um acréscimo variável de
21,70 $/kW.
Koshhan et al. [23] afirmam que o custo do banco de baterias deve ser dividido em custos fixos,
os quais são independentes ao tamanho da bateria, e custos variáveis de acordo com o kWh da
bateria. Os autores estimam que os custos fixos de uma bateria para veículos elétricos híbridos
correspondem a $405,00; entretanto, o custo variável da bateria de NiMH do Mirai é estimado em
145,00 $/kW, segundo o FASTSim. Baseado na pesquisa realizada pela “Bloomberg New Energy
Finance” no ano de 2017 [24], o preço variável dos bancos de baterias de Li-ion para veículos
elétricos é, em média, 209 $/kWh.
A margem bruta do fabricante foi assumida em 10,0%, conforme o intervalo de margem de
fabricantes de veículo híbridos elétricos definido por Koshhan et al. [23]. Segundo os autores, a
margem de vendas do revendedor varia de 5,0 a 15,0%. Para o presente estudo, a margem do
revendedor será definida posteriormente e dentro do intervalo estabelecido, afim de que a
validação das hipóteses de custos do veículo se iguale ao preço de venda do mesmo no varejo. Os
impostos sobre vendas do Toyota Mirai nos Estados Unidos foram assumidos em 7,8%, de acordo
com a base do FASTSim. Não foi realizada nenhuma hipótese de custos logísticos, uma vez que o
consumidor final paga um valor extra pelo frete do Toyota Mirai [25].
A DOE divulga periodicamente o preço médio de combustíveis alternativos nos postos de
abastecimento americanos; os valores divulgados já incluem impostos. No relatório de julho de
2018 [26], o preço médio do hidrogênio nos postos de abastecimento foi de 15,82 $/GGE (15,53
$/kg de hidrogênio). Para evitar fazer inferências futuras sobre o preço de hidrogênio nos postos,
assumiu-se que o preço do combustível se mantém constante ao longo da vida útil do veículo.
76
Julgou-se importante trazer as despesas futuras de combustível para um valor presente, pois, com
o decorrer do tempo, o dinheiro perde valor em razão da inflação. Nesse sentido, Zhang [27]
introduz o cálculo para a conversão do valor futuro em valor presente como segue na equação:
VP =𝑉𝐹
(1 + 𝑑)𝑛 (5.2)
Onde VP é o valor presente; VF corresponde ao valor futuro; d é a taxa de desconto; e n é o número
de anos no futuro.
Dessa forma, a definição da taxa de desconto é fundamental para a obtenção dos pagamentos
futuros em valor presente. O percentual de desconto é estabelecido como a taxa de juros sem risco
em que o investidor é remunerado. Como a vida útil do veículo é de longo prazo, superior à 10
anos, a taxa de desconto assumida como hipótese foi de 3,20%, valor referente à taxa de
remuneração do título do tesouro americano para o tempo de 10 anos [28].
A Tabela 5.2 resume as hipóteses de custos elaboradas nesse item. Posteriormente, no item 5.3,
essas hipóteses serão validadas em relação ao preço de venda do Toyota Mirai aos consumidores.
Tabela 5.2. Hipóteses de custos.
Especificação Hipóteses
Preço do veículo sem a bateria, o motor e o tanque de hidrogênio $ 17.014,00
Custo da célula combustível $ 170,00 por kWh
Custo do tanque de hidrogênio $16,00 por kWh
Custo fixo do motor elétrico $ 425,00
Custo variável do motor elétrico $ 21,70 por kWh
Custo fixo da bateria (NiMH e Li-ion) $ 405,00
Custo variável da bateria de NiMH $ 145,00 por kWh
Custo variável da bateria de Li-ion $ 209,00 por kWh
Margem bruta do fabricante 10,0%
Margem de vendas do revendedor A ser definida entre 5,0 a 15,0%
Impostos sobre venda 7,8%
Preço do combustível hidrogênio $ 15,82 por GGE
Preço do combustível hidrogênio $ 15,53 por kg
Taxa de desconto 3,20%
77
5.3. Preço de mercado
Conforme explicado no item 5.2, a Toyota não disponibiliza os custos do Mirai discriminados por
componentes. Dessa forma, a validação das hipóteses de custos de produção e venda do veículo,
levantadas no item 5.2, foi realizada a partir da comparação entre preço de venda do Toyota Mirai
modelo 2016/2017 no mercado e o preço de venda construído a partir das hipóteses de custos
assumidas. Em 2017, segundo divulgação da Toyota [25], o preço de venda – descontando o frete
– do Mirai nos Estados Unidos era de $57.500.
A Tabela 5.3 mostra a elaboração do preço sugerido de vendas do Toyota Mirai conforme os
parâmetros do veículo dados pelo fabricante e as hipóteses de custos definidas no item 5.2. A
margem de vendas do revendedor foi assumida em 13,8%, permanecendo dentro do intervalo de
5,0 a 15,0% constatado por Kochhan et al. [23], para a convergência entre preço de venda
elaborado e o preço de venda do Mirai no mercado americano.
Tabela 5.3. Elaboração do preço sugerido de venda do Mirai a partir das hipóteses definidas.
Especificação Valor Variáveis do
veículo Valor Final
Preço do veículo sem bateria, motor e
tanque de combustível $17.014,00 - $17.014,00
Custo do tanque de hidrogênio ($/kWh) $16,00 168,5 kWh $2.696,00
Custo fixo do motor elétrico $425,00 - $425,00
Custo variável do motor elétrico
($/kW) $21,70 113 kW $2.452,10
Custo da célula a combustível ($/kW) $170,00 114 kW $19.380,00
Custo fixo da bateria $405,00 - $405,00
Custo variável da bateria ($/kWh) $145,00 1,59 kWh $230,72
Custo de produção do veículo - - $42.602,82
Margem do fabricante 10,0% - $4.260,28
Margem de vendas do revendedor 13.8% $6,476.41
Impostos sobre vendas 7.8% - $4,160.48
Preço sugerido de venda - - $57,500.00
Preço de mercado do Toyota Mirai - - $57,500.00
78
Em razão da convergência entre o preço sugerido de vendas, a partir das hipóteses de custos
elaboradas, e o preço de mercado do Toyota Mirai, avaliou-se que as conjecturas de custos para
cada componente descrito são estimativas suficientemente adequadas. Dessa forma, a Figura 5.1
mostra a decomposição estimada do preço de venda do Toyota Mirai no mercado americano.
Destaca-se a informação de que a célula a combustível representa mais de um terço do valor de
venda do veículo. De fato, esse é um indicativo da potencial redução dos custos, se feita a
modificação do grau de hibridização do veículo.
Figura 5.1. Decomposição do preço sugerido de venda por componente (%).
Além do preço de venda, a análise de custos do veículo também deve incorporar os custos de
operação do mesmo. Conforme explicado no item 5.2, a estimativa da vida útil da bateria e da
célula a combustível são iguais ou superiores à vida útil do veículo. Além disso, observou-se que
os custos das manutenções periódicas e aleatórias apresentam efeito comparativo marginal ao
29,6%
4,7%
5,0%
33,7%
1,1%
7,4%
11,3%
7,2%
Preço do véiculo sem bateria,
motor e tanque de combustível
Custo do tanque de hidrogênio
Custo do motor elétrico
Custo da célula combustível
Custo da bateria
Margem do fabricante
Margem de vendas do
revendedor
Impostos sobre vendas
79
presente trabalho. Dessa forma, os custos de operação avaliados se resumem às despesas com os
combustíveis.
Sendo assim, as hipóteses elaboradas nos itens 5.1 e 5.2 foram utilizadas para a avaliação da soma
dos valores presentes das despesas mensais de combustível ao longo da vida útil do veículo. Os
resultados para os dados de consumo de combustível disponibilizados pelo fabricante de 67 MPGe
são apresentados na Tabela 5.4.
Tabela 5.4. Elaboração de custos do Mirai ao consumidor final
Preço sugerido para o consumidor final $57.500,00
Valor presente das despesas com combustível $29.696,94
Custo total do veículo para o consumidor final* $87.196,94 * Excluindo despesas com manutenções.
O valor presente das despesas com combustível ao longo da vida útil do veículo é bastante
significativo nas despesas totais do mesmo. Dessa maneira, há a confirmação da relevância do
consumo de combustível do veículo para a análise econômica do Toyota Mirai.
5.4. Influências do grau de hibridização
Após a elaboração e validação de custos do Toyota Mirai, foi realizada a avaliação dos custos para
diferentes configurações de graus de hibridização, anteriormente estudados no item 4.1. Dessa
forma, repetiu-se o processo de ajuste das hipóteses de custos de acordo com os parâmetros do
veículo para diferentes graus de hibridização, visando obter resultados estimados de custos de
produção e preço de venda sugerido, bem como o valor presente das despesas com combustíveis
para cada configuração.
Em relação aos custos de produção do veículo, a alteração do grau de hibridização resulta apenas
em variações dos custos variáveis da bateria de NiMH e dos custos da célula a combustível. Os
percentuais de margens do fabricante e do revendedor são mantidos constantes para as diferentes
configurações de graus de hibridização, logo, o preço de venda sugerido é impactado diretamente
pelas mudanças dos custos de produção. Por fim, o valor presente de combustível do veículo varia
de acordo com o consumo de cada configuração, conforme visto na Tabela 4.3.
80
A Tabela 5.5 a seguir apresenta a elaboração de custos discriminados por componentes do Mirai
para as diferentes configurações de graus de hibridização, já simuladas no item 4.1. Nota-se que
os componentes que alteram as estimativas de produção do veículo se resumem aos custos da
bateria e da célula a combustível.
Tabela 5.5. Elaboração de custos do Toyota Mirai para diferentes graus de hibridização
Especificação Dados do
Fabricante
HD
19,3%
HD
28,7%
HD
40,0%
HD
50,0%
HD
60,0%
HD
70,0%
Preço do veículo
sem bateria, motor e
tanque de
combustível (USD)
$17,014
Custo do tanque de
hidrogênio $2,696
Custo base do motor
elétrico $425
Custo variável do
motor elétrico $2,452
Custo base da
bateria de NiMH $405
Custo variável da
bateria de NiMH $231 $167 $247 $341 $428 $515 $602
Custo da célula a
combustível $19,380 $21,930 $19,380 $16,320 $13,600 $10,880 $8,160
Custos de produção $42,603 $45,089 $42,619 $39,653 $37,020 $34,387 $31,754
Margem do
fabricante $4,260 $4,509 $4,262 $3,965 $3,702 $3,439 $3,175
Margem de vendas
do revendedor $6,476 $6,854 $6,479 $6,028 $5,628 $5,227 $4,827
Impostos sobre
vendas $4,160 $4,403 $4,162 $3,872 $3,615 $3,358 $3,101
Preço de venda
sugerido $57,500 $60,855 $57,522 $53,519 $49,965 $46,411 $42,858
Valor presente das
despesas com
combustível
$29,697 $34,552 $32,652 $32,393 $31,635 $31,003 $30,335
Custo total do
veículo para o
consumidor final*
$87,197 $95,407 $90,174 $85,912 $81,600 $77,414 $73,193
* Excluindo despesas com manutenções
81
Como explicado no item 4.1, o aumento do grau de hibridização implica no aumento da potência
máxima da bateria, assim como a redução da potência da célula a combustível. Ou seja, o aumento
do grau de hibridização resulta na redução dos custos da célula a combustível e no aumento dos
custos com o banco de baterias de NiMH.
No entanto, a elevação das despesas com o incremento de potência do banco de baterias é muito
inferior à diminuição de custos a partir da redução equivalente da potência da célula a combustível.
Dessa forma, o aumento do grau de hibridização resulta na redução líquida dos custos de produção
do veículo, como é possível observar na Figura 5.2.
Figura 5.2. Estimativas de custos discriminados por componentes do Toyota Mirai.
A Figura 5.3 resume os resultados dos custos para o consumidor apresentados nesse item em vista
dos diferentes graus de hibridização simulados, assim como dos dados do fabricante. O ganho com
o aumento da hibridização é expressivo, segundo a análise econômica.
$0
$10.000
$20.000
$30.000
$40.000
$50.000
$60.000
$70.000
$80.000
$90.000
$100.000
Dados do
Fabricante
Hibridização de
19,3%
Simulação base
(HD=28,7%)
Hibridização de
40,0%
Hibridização de
50,0%
Hibridização de
60,0%
Hibridização de
70,0%
Valor presente das despesas com combustível Impostos sobre vendas
Margem de vendas do revendedor Margem do fabricante
Custo da célula combustível Custo da bateria de NiMH
Custo do motor elétrico Custo do tanque de hidrogênio
Preço do véiculo sem bateria, motor e tanque de combustível
82
O aumento do grau de hibridização dos atuais 28,7% até os 70,0%, estipulados como limite
superior, apresentam um potencial de redução de mais de 25% do preço de venda sugerido do
Mirai. Em suma, a diminuição do preço de venda seria de mais de 14.500,00 dólares.
Figura 5.3. Custos resumidos do Toyota Mirai ao consumidor.
Como o consumo de combustível no ciclo combinado dado pelo fabricante foi menor do que a
simulação base realizada, o valor presente das despesas de combustível é menor do que no grau de
hibridização máximo de 70,0%. No entanto, essa divergência não representa a tendência observada
nas simulações de redução do consumo de combustível pelo aumento do grau de hibridização.
Dessa maneira, avalia-se que o resultado das despesas de combustível da simulação base do Toyota
Mirai devam ser utilizados para efeitos comparativos. A partir dessa consideração, conclui-se que
também há potencial redução do valor presente das despesas de combustível com o aumento do
grau de hibridização. Em caso de alteração do HD para 70,0% em relação ao projeto base, a
redução do valor estaria em cerca de 7,0 %.
$42.603$45.089
$42.619$39.653
$37.020$34.387
$31.754
$14.897$15.767
$14.903
$13.866
$12.945
$12.024
$11.104
$29.697
$34.552$32.652 $32.393 $31.635 $31.003 $30.335
$0, 00
$10.000, 00
$20.000, 00
$30.000, 00
$40.000, 00
$50.000, 00
$60.000, 00
$70.000, 00
$0
$10.000
$20.000
$30.000
$40.000
$50.000
$60.000
$70.000
Dados dofabricante
HD = 19,3% HD=28,7% HD = 40,0% HD = 50,0% HD = 60,0% HD = 70,0%
Margens e impostos
Custos de produção
Valor presente das despesas com combustível
83
5.5. Tipos de baterias
A segunda mudança de configuração do FCHEV avaliada no item 4.2 tratava-se da substituição
da bateria de NiMH para uma de Li-ion. Os resultados do item 4.2 apontaram para um ganho de
performance; no entanto, sabe-se que, atualmente, os bancos de baterias de Li-ion são mais caros
do que os equivalentes de NiMH. Conforme apresentado na Tabela 5.2, o custo variável de
produção do banco de baterias de Li-ion por kWh é estimado em 209,00 dólares, enquanto o preço
por kWh das baterias de NiMH é estimado em 145,00 dólares. Dessa forma, a análise econômica
da alteração do tipo de bateria é fundamental para identificar os possíveis benefícios da proposta.
Sendo assim, a Tabela 5.6 apresenta a elaboração de custos do Mirai para as configurações de
baterias de NiMH e Li-ion em relação a dois graus de hibridização: 28,7%, correspondente aos
dados base do Mirai, e 70,0%, referente à proposta de aumento de hibridização.
Tabela 5.6. Elaboração de custos do Mirai para diferentes configurações de bateria e graus de
hibridização.
Especificação
HD=28,7% HD=70,0%
Dados do
Fabricante
Bateria
NiMH
Bateria
Li-ion
Bateria
NiMH
Bateria
Li-ion
Preço do veículo sem bateria,
motor e tanque de combustível
(USD)
$17,014 $17,014
Custo do tanque de hidrogênio $2,696 $2,696
Custo base do motor elétrico $425 $425
Custo variável do motor elétrico $2,452 $2,452
Custo base da bateria $405 $405
Custo variável da bateria $231 $247 $363 $602 $869
Custo da célula a combustível $19,380 $8,160
Custos de produção $42,603 $42,619 $42,735 $31,754 $32,022
Margem do fabricante $4,260 $4,262 $4,273 $3,175 $3,202
Margem de vendas do revendedor $6,476 $6,479 $6,496 $4,827 $4,868
Impostos sobre vendas $4,160 $4,162 $4,173 $3,101 $3,127
Preço de venda sugerido $57,500 $57,522 $57,678 $42,858 $43,219
Valor presente das despesas com
combustível $29,697 $32,652 $30,471 $30,335 $28,747
Custo total do veículo para o
consumidor final* $87,197 $90,174 $88,149 $73,193 $71,966 * Excluindo despesas com manutenções
84
A Figura 5.4 resume os principais custos ao consumidor final elaborados na Tabela 5.6.
Diferentemente da proposta de aumento de grau de hibridização, a qual apresenta benefícios
econômicos, tanto na redução do preço de venda estimado do veículo, quanto no valor presente de
despesas de combustíveis, a mudança do tipo de bateria apresenta ganhos monetários apenas na
análise de longo prazo de uso do veículo. Estima-se que a mudança do banco de baterias de NiMH
para Li-ion possa gerar um aumento de até 361,00 dólares no preço de venda do veículo ao
consumidor (soma dos custos de produção, margens e impostos), quando na situação de grau de
hibridização de 70,0%. No entanto, para a vida útil do veículo, avalia-se que o potencial de redução
de despesas com combustível seja de até 5,2%, ou 1588,00 dólares, na mesma situação.
Dessa forma, apesar do consumidor precisar investir um capital inicial maior para comprar um
FCHEV com bateria de Li-ion, quantifica-se que o resultado financeiro líquido é positivo ao longo
do tempo, uma vez comprovado o menor consumo de combustível do veículo diante dessa
configuração.
Figura 5.4. Comparativo de custos para diferentes configurações de bateria e graus de
hibridização.
$42.603 $42.619 $42.735
$31.754 $32.022
$14.897 $14.903 $14.943
$11.104 $11.197
$29.697
$32.652$30.471 $30.335
$28.747
$0, 00
$10.000, 00
$20.000, 00
$30.000, 00
$40.000, 00
$50.000, 00
$60.000, 00
$0
$10.000
$20.000
$30.000
$40.000
$50.000
$60.000
Dados dofabricante (bateria
de NiMH)
Simulação basecom bateria de
NiMH
Bateria de Li-Ion Bateria de NiMH Bateria de Li-Ion
Custos de produção
Margens e impostos
Valor presente das despesas com
combustível
HD=28,7%HD=70,0%
85
A Figura 5.5 apresenta a variação dos custos totais do veículo ao consumidor em dólares, excluindo
as manutenções periódicas, em relação ao aumento do grau de hibridização e o tipo de bateria. A
linha em azul mostra o impacto da variação do grau de hibridização no modelo do Toyota Mirai,
simulado na soma dos custos de aquisição do veículo e das despesas com combustíveis. Os pontos
em verde apresentam a soma dos mesmos custos para a modificação da bateria de NiMH para Li-
ion nas configurações de grau de hibridização simulados.
Figura 5.5 Preço estimado de venda somado às despesas com combustível a valor presente em
função do grau de hibridização.
Em comparação ao modelo base de simulação do Toyota Mirai, os resultados apontaram que a
combinação entre o grau de hibridização até 70,0% e a alteração do banco de baterias para Li-ion
reduziriam os custos ao consumidor final em 18,208 dólares.
Sendo assim, identifica-se que há um elevado potencial de redução de custos com as propostas
tratadas no presente trabalho.
$95.407
$90.174
$85.912
$81.600
$77.414
$73.193
$88.149
$71.966
$70.000
$75.000
$80.000
$85.000
$90.000
$95.000
$100.000
19,3% 28,7% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0%
Bateria de NiMH
Bateria de Li-Ion
Grau de hibridização
86
6. Conclusões
O objetivo deste trabalho foi a avaliação do impacto de novas configurações veiculares na
performance e na análise econômica de um FCHEV. Dessa forma, primeiramente, foi apresentada
a ferramenta computacional Advisor, capaz de simular veículos de diferentes tipos de sistemas de
propulsão a partir de uma ampla gama de parâmetros de entrada.
Em continuidade, definiu-se o Toyota Mirai como modelo base de FCHEV a ser estudado. Foram
coletadas as especificações do veículo nas diferentes fontes de literatura. Tais especificações foram
moldadas conforme as limitações do software e associadas às estratégias de controle elaboradas.
Dessa maneira, obtiveram-se os dados de entrada do modelo base, visando reproduzir o
funcionamento do Toyota Mirai 2016/2017.
Os resultados da simulação do modelo base no Advisor apresentaram desvios mínimos em relação
aos dados experimentais de performance. Sendo assim, a simulação foi validada.
Posteriormente, foi proposto o estudo do impacto da variação do grau de hibridização na
performance do Toyota Mirai. Esse estudo iniciou-se pela determinação dos limites do grau de
hibridização, conforme os requerimentos básicos da PNGV, e ajustados a um FCHEV. O resultado
estabeleceu o intervalo recomendado do grau de hibridização como sendo de 19,3% a 70,0%.
Em seguida, foram realizadas simulações que modificaram o grau de hibridização do modelo base
do Toyota Mirai, tendo em vista o intervalo estabelecido. Os resultados indicaram ganhos de
performance expressivos com o aumento do grau de hibridização até o limite superior de 70,0%.
Entre eles, destacaram-se as reduções de consumo de combustível e de tempo de aceleração em
relação à simulação base.
A segunda proposta de alteração de configuração veicular foi a do banco de baterias, substituindo
o de NiMH, padrão do Toyota Mirai, pelo banco de baterias equivalente de Li-ion, com mesma
potência máxima e kWh total. Tal modificação foi simulada para dois graus de hibridização:
28,7%, referente ao modelo base do Toyota Mirai, e 70,0%, referente à proposta anterior.
Novamente, os resultados das simulações indicaram melhoria de performance a partir da
modificação da bateria para Li-ion. Além disso, para as mesmas configurações de bateria de Li-
ion, a simulação com grau de hibridização de 70,0% apresentou menor consumo de combustível e
menor tempo de aceleração, se comparados aos valores obtidos com grau de hibridização base.
87
Avaliou-se, então, que a configuração do grau de hibridização do Toyota Mirai em 70,0% e a
alteração do seu banco de baterias para Li-ion apresentaram elevado potencial de melhoria na
performance do veículo. Assim sendo, restava analisar se tais modificações também se traduziriam
em vantagens econômicas.
Nessa perspectiva, foi realizada uma análise econômica extensa, iniciada com o levantamento de
hipóteses de condições de operação e vida útil do veículo e de seus componentes. Em seguida,
foram elaboradas as estimativas de custos dos componentes do Toyota Mirai discriminados.
As aferições de custos foram avaliadas como adequadas após serem validadas em relação ao preço
de venda do Toyota Mirai no mercado americano em 2017.
Dessa maneira, prosseguiu-se para a avaliação dos custos do veículo ao consumidor final em
diferentes configurações de graus de hibridização e do tipo de bateria.
Os resultados apontaram para uma combinação de redução significativa dos custos de produção e
diminuição de despesas com combustível a partir do aumento do grau de hibridização do veículo.
A redução estimada do preço de venda em cerca de 25%, equivalente a 14.500 dólares, com o
aumento do grau de hibridização da configuração base até 70,0%, evidencia a magnitude da
diferença de custos por kW de potência entre as baterias e a célula a combustível.
Na formulação dos custos das propostas de alteração do banco de baterias, obteve-se como
resultado inicial o aumento dos custos de produção; entretanto, essa defasagem é superada pela
redução das despesas com combustíveis ao longo da vida útil do veículo.
Dessa forma, concluiu-se que os resultados obtidos neste trabalho indicam ganhos econômicos e
de performance, se realizados o aumento do grau de hibridização do Toyota Mirai até 70,0% e a
alteração do seu banco de baterias para Li-ion.
Finalmente, a partir do presente trabalho, é possível sugerir a abordagem de novos tópicos de
estudos que contribuam para as análises desenvolvidas. Um posterior aprofundamento poderia se
basear no presente trabalho, a fim de estimar a intensidade necessária das reduções de custos
envolvidas na produção e operação do Toyota Mirai, objetivando torná-lo competitivo
financeiramente no atual mercado de veículos médios. A abordagem deveria incluir as propostas
de modificações levantadas no presente trabalho.
88
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92
Apêndice A – Dimensões e disposição do banco
de baterias do Toyota Mirai
As dimensões do módulo de bateria de NiMH utilizadas no Toyota Mirai são disponibilizadas pela
fornecedora Primearth EV Energy – PEVE [35]. A Tabela A.1 apresenta as dimensões de um
módulo de bateria do veiculo especificadas pela PEVE.
Tabela A.1. Dimensões do módulo de bateria do Toyota Mirai.
Dessa forma, infere-se que volume de um módulo de bateria de NiMH do Toyota Mirai é de cerca
de 0,592 litros. Como o banco de baterias do Toyota Mirai é composto de 34 módulos, o volume
do banco de baterias estimado é de cerca de 20,132 litros.
O banco de baterias do Toyota Mirai dispõe-se na parte traseira do veículo, conforme mostrado na
Figura A.1.
Dimensões externas Valor (mm)
Comprimento 285,0
Largura 19,6
Altura 106,0
93
Figura A.1. Vista de topo ilustrativa do Toyota Mirai [29]