View
215
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
À minha amada esposa, Graziella Russo
Oliveira, por ter me apoiado, estando presente
na minha formação e compartilhando mais
esta vitória.
Aos meus queridos pais, Osvaldo Martins de
Oliveira e Engracia Maria Farias Oliveira, que
me ensinaram que com Deus tudo é possível.
AGRADECIMENTOS
Principalmente a Deus, pela opotunidade que me proporcionou para a
realização deste trabalho.
À minha esposa, Graziella Russo Oliveira, cuja paciência, dedicação e
incentivo foram fundamentais para concluir este trabalho.
Aos meus pais, Osvaldo Martins de Oliveira e Engracia Maria Farias
Oliveira, pelo incentivo e carinho que sempre me proporcionaram.
À minha irmã, Mirian Martins de Oliveira, pelo que ela representa para
mim.
Ao ilustre Prof. Dr. Decio Crisol Donha pela orientação.
As secretárias, Mônica de Castro Campos Guerra e Rosangela Fernandes
Barboza, pela dedicação durante o período de curso.
Aos meus amigos da Ford Motor Company, em especial ao ilustre Sr.
Marco Mazzillo.
RESUMO
As questões relativas à eficiência energética, proteção do meio ambiente,
redução das reservas mundiais de combustível têm feito com que cresça rapidamente
o interesse das montadoras de automóveis por novas tecnologias de propulsão
veicular, que sejam mais eficientes e menos poluentes que os sistemas de propulsão
convencionais.
Uma alternativa que vem sendo considerada são os veículos elétricos
híbridos (VEHs). Os VEHs combinam os benefícios de veículos elétricos com as
características de um veículo convencional.
A proposta deste trabalho é estudar as principais características dos VEHs,
realizando simulações para mostrar o desempenho, níveis de emissões e o
comportamento de seus principais componentes, as baterias e os motores elétricos.
O número de possíveis configurações dos VEHs vêm aumentando
rapidamente, somando novos sistemas de embreagens, motores elétricos e outros
componentes. No entanto, neste trabalho faremos uma comparação entre as duas
configurações de VEH mais aplicadas: série e paralelo.
A simulação será realizada usando-se o programa ADVISOR (ADvanced
VehIcle SimulatOR), desenvolvido pela National Renewable Energy Laboratory
(NREL) e Argonne National Laboratory (ANL). Também faremos algumas
simulações usando o programa Matlab®.
ABSTRACT
Auto manufacturers are increasingly looking for changes to conventional
powertrain technologies to meet the challenge of developing more fuel efficient and
less polluting vehicles. One alternative under consideration is that of hybrid electric
vehicles (HEVs). An HEV combines the benefits of electric vehicles with the
features of a conventional vehicle that consumers expect.
The goal of the research in this thesis is to:
Model the main HEV components the motor and battery.
Compare the two major HEV configurations: the series and parallel. The
number of possible topologies of the HEV is increasing drastically by adding more
clutches, electric machines and other components. Therefore only two HEV
configurations are chosen for the comparison on this work.
Model of the vehicle is developed using ADVISOR, an Advanced Vehicle
Simulator that handles the energy flow and fuel usage within the vehicle drivetrain
and the energy conversion components.
Simulations were also run in some computer based software called
Matlab®.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................... 1
INTRODUÇÃO........................................................................................................ 1 1.1 Apresentação e definição do problema ........................................................ 1 1.2 Objetivos ...................................................................................................... 3 1.3 Organização do trabalho .............................................................................. 3 1.4 Revisão dos programas utilizados................................................................ 5
CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 7 SISTEMAS DE PROPULSÃO ................................................................................ 7
2.1 Introdução .................................................................................................... 7 2.2 Características dos motores de combustão interna....................................... 8 2.3 Sistemas Híbridos ...................................................................................... 11 2.4 Princípios de funcionamento dos VEHs .................................................... 12 2.4.1. Veículos Elétricos .................................................................................. 13 2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos ................................................................... 14 2.4.2.1. Configuração Paralela ........................................................................ 15 2.4.2.2. Configuração Série............................................................................. 17 2.4.3. Índice de hibridização ............................................................................ 19
CAPÍTULO 3 ............................................................................................................. 21 BATERIAS............................................................................................................. 21
3.1 Introdução .................................................................................................. 21 3.2 Caracterização de parâmetros .................................................................... 21 3.2.1. Capacidade de carga - Cp....................................................................... 22 3.2.2. Energia - E.............................................................................................. 23 3.2.3. Densidade de Energia............................................................................. 24 3.2.4. Energia Específica.................................................................................. 24 3.2.5. Potência Específica ................................................................................ 24 3.2.6. Eficiência................................................................................................ 25 3.3 Sistemas de armazenamento de energia - Baterias .................................... 25 3.3.1. Baterias Chumbo-ácido (PbO) ............................................................... 26 3.3.2. Baterias Níquel-Cádmio (NiCd) ............................................................ 26 3.3.3. Baterias Hidreto Metálico de Níquel (NiMH) ....................................... 27 3.3.4. Baterias Lítio-Íon ................................................................................... 27 3.4 Modelo matemático.................................................................................... 28 3.4.1. Modulo Thevenin ................................................................................... 29
CAPÍTULO 4 ............................................................................................................. 33 MÁQUINAS ELÉTRICAS .................................................................................... 33
4.1 Introdução .................................................................................................. 33 4.2 Fundamentos gerais sobre máquinas elétricas ........................................... 33
4.3 Tipos de motores elétricos ......................................................................... 34 4.3.1. Motores de corrente contínua (MCCs)................................................... 35 4.3.1.1. Modelo matemático............................................................................ 37 4.3.1.2. Diagrama de blocos e simulação........................................................ 40 4.3.1.3. Comparativo entre MCC e MCCBL .................................................. 41 4.3.2. Motores de indução magnética (MIMs)................................................. 42 4.3.2.1. Formas de controle............................................................................. 44 4.3.2.2. Modelo Matemático ........................................................................... 45 4.3.2.3. Comparativo entre MCCBL e MIM................................................... 50
CAPÍTULO 5 ............................................................................................................. 51 DINÂMICA VEICULAR....................................................................................... 51
5.1 Introdução .................................................................................................. 51 5.1.1. Fundamentos de dinâmica veicular ........................................................ 51 5.1.2. Forças de resistência .............................................................................. 52 5.1.2.1. Resistência ao rolamento.................................................................... 52 5.1.2.2. Resistência aerodinâmica ................................................................... 53 5.1.2.3. Resistência devido a inclinação da pista ............................................ 54 5.1.2.4. Resistência das forças de inércia........................................................ 54 5.1.3. Força Trativa .......................................................................................... 54
CAPÍTULO 6 ............................................................................................................. 58 PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO ............................................................... 58
6.1 Considerações iniciais................................................................................ 58 6.2 Clico de tráfego .......................................................................................... 58 6.3 Programa de simulação .............................................................................. 61 6.3.1. Janela de entrada de dados ..................................................................... 61 6.3.2. Janela de seleção do ciclo e testes desejados ......................................... 63 6.3.3. Janela com resultados da simulação....................................................... 64 6.4 Edição dos parâmetros de entrada.............................................................. 65 6.5 Simulação de um veículo convencional..................................................... 66 6.6 Resultados obtidos para um VEH paralelo ................................................ 70 6.7 Resultados obtidos para um VEH série...................................................... 76
CAPÍTULO 7 ............................................................................................................. 81 CONCLUSÃO........................................................................................................ 81
7.1 Análise dos resultados................................................................................ 81 7.2 Conclusão e recomendações ...................................................................... 82
APÊNDICES.............................................................................................................. 94 A – MOTOR DE INDUÇÃO MAGNÉTICA ........................................................ 94 B – ALTERAÇÃO DOS PARÂMETROS DO ADVISOR ................................... 95
LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 – Percentual das respostas à pergunta: “Cite algum VEH” [1]. 1 Figura 1.2 – J.D. Power and Associates “2003 Hybrid Vehicle Outlook” [2]. 2 Figura 1.3 – Frost and Sullivan “Analysis of the European Market for HEV” [2]. 3 Figura 2.1 – Requisitos para novos sistemas de propulsão. 8 Figura 2.2 – Característica dos motores de combustão interna [3]. 9 Figura 2.3 – Fluxo de energia em sistemas de propulsão convencional. 10 Figura 2.4 – Emissão de CO, HC e NOx em função do coeficiente de ar λ [23]. 11 Figura 2.5 – Perda de torque em função de λ [40, página 44, figura 5.3]. 12 Figura 2.6 – Distribuição dos componentes no veículo elétrico. 13 Figura 2.7 – Características de acionamento de um VE e de um MCI [13]. 14 Figura 2.8 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração paralelo. 16 Figura 2.9 – Fluxograma de energia na configuração paralela. 17 Figura 2.10 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração série. 18 Figura 2.11 – Fluxograma de energia na configuração série. 19 Figura 3.1 – Bateria elétrica [77]. 22 Figura 3.2 – Modelo linear de uma bateria. 23 Figura 3.3 – Célula chumbo-ácido. 26 Figura 3.4 – Modelo matemático de uma bateria [69] [70]. 30 Figura 4.1 – Características das máquinas elétricas. 34 Figura 4.2 – Classificação de alguns motores elétricos. 35 Figura 4.3 – Corte de uma máquina de corrente contínua. 36 Figura 4.4 – Quadrantes de operação das máquinas elétricas. 37 Figura 4.5 – Modelo simples de um MCC com excitação independente. 37 Figura 4.6 – Diagrama de blocos de um MCC. 41 Figura 4.7 – Corte lateral de um MIM [52]. 43 Figura 4.8 – Seção de um MIM. 44 Figura 4.9 – Sistema de controle de um MIM. 45 Figura 4.10 – Esquema elétrico equivalente de um MIM. 46 Figura 4.11 – Esquema elétrico equivalente de um MIM em regime permanente. 47 Figura 4.12 – Esquema monofásico de um MIM em regime permanente. 48 Figura 4.13 – Comportamento torque x velocidade de um MIM. 49 Figura 5.1 – Coeficientes fo e fs em função da pressão interna dos pneus. 53 Figura 5.2 – Resistência ao movimento x Velocidade. 55 Figura 5.3 – Rotação do motor x Velocidade em cada marcha. 56 Figura 5.4 – Força trativa para velocidade constante. 57 Figura 5.5 – Acelerações para aclive da pista de 0%. 57 Figura.6.1 – Urban Dynamometer Driving Schedule. 59 Figura 6.2 – Highway Fuel Economy Test. 60 Figura 6.3 – New European Driving Cycle. 60 Figura 6.4 – Federal Test Procedure. 61 Figura 6.5 – Janela de entrada de dados do ADVISOR. 62 Figura 6.6 – Janela de entrada de dados do ADVISOR. 62 Figura 6.7 – Janela intermediária do ADVISOR – Seleção da simulação. 63 Figura 6.8 – Janela de seleção dos testes e resultados desejados. 64 Figura 6.9 – Janela de resultados. 65 Figura 6.10 – Motor Zetec Rocam 1.0L. 66
Figura 6.11 – Dados de entrada veículo convencional com motor 1.0L. 67 Figura 6.12 – Resultados Veículo Convencional 46 KW. 68 Figura 6.13 – Fluxo de energia Veículo Convencional. 69 Figura 6.14 – Perda de energia durante os testes Veículo Convencional. 69 Figura 6.15 – Eficiência do conversor de combustível Veículo Convencional. 70 Figura 6.16 – Dados de entrada VEH Paralelo com motor 1.0L. 71 Figura 6.17 – Condições de testes e resultados desejados VEH Paralelo. 72 Figura 6.18 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 72 Figura 6.19 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 73 Figura 6.20 – Fluxo de energia VEH Paralelo. 74 Figura 6.21 – Eficiência do conversor de combustível VEH Paralelo. 74 Figura 6.22 – Eficiência da bateria durante carga VEH Paralelo. 75 Figura 6.23 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Paralelo. 75 Figura 6.24 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 30 KW. 76 Figura 6.25 – Dados de entrada VEH Série com motor 1.0L de 46 KW. 77 Figura 6.26 – Resultados de teste VEH Série com MCI de 46 KW. 77 Figura 6.27 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW. 78 Figura 6.28 – Fluxo de energia VEH Série. 79 Figura 6.29 – Eficiência do conversor de combustível VEH Série. 79 Figura 6.30 – Eficiência da bateria durante carga VEH Série. 80 Figura 6.31 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Série. 80
LISTA DE TABELAS Tabela 3.1 – Bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32]. 27 Tabela 3.2 – Bateria Lítion-Íon SAFT [32]. 28 Tabela 4.1 – Comparativo entre um MCC convencional e um MCC Brushless 41 Tabela 4.2 – Parâmetros para simulação de um MIM 73,5 KW. 49 Tabela 4.3 – Comparativo entre um MCC Brushless e um MIM. 50 Tabela 5.1 – Dados da transmissão e pneu usado no veículo. 54 Tabela 7.1 – Tabela com resultados comparativos. 81 Tabela 7.2 – Tabela com resultados comparativos. 82
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADVISOR – Advanced Vehicle Simulator
ANL – Argonne National Laboratory / Laboratório Nacional
Argonne
BL – BrushLess (Sem escova)
CA – Corrente Alternada
CaC – Célula a Combustível
CAP – Capacidade da bateria
CC – Corrente Contínua
DOH – Degree of Hybridization / Grau de Hibridização
EERE – Energy Efficiency and Renewable Energy / Eficiência
Energética e Energia Renovável
FFA – Ford Forschungszentrum Aachen
FTP – Federal Test Procedure
HEV – Hybrid Electric Vehicle
HWFET – Highway Fuel Economy Test
IEE – Institution of Electrical Engineers / Instituto dos
Engenheiros Elétricos
IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. /
Instituto dos Engenheiros Elétricos e Eletrônicos
INEE – Instituto Nacional de Eficiência Energética
ISGs – Integrated Starter Generator / Motor-Gerador de
Partida Integrado
MCC – Motor de Corrente Contínua
MCCBL – Motor de Corrente Contínua sem Escova
MCI – Motor de Combustão Interna
ME – Motor Elétrico
MIM – Motor de Indução Magnética
MIP – Motor de Ímã Permanente
MRC – Motor de Relutância Chaveado
NEDC – New European Driving Cycle
NREL – National Renewable Energy Laboratory / Laboratório
Nacional de Energia Renovável
PROCONVE – Programa de Controle de Poluição por Veículos
Automotores
SAE – Society of Automotive Engineers / Sociedade
SOC – State Of Charge / Estado de Carga
UDDS – Urban Dynamometer Driving Schedule
VE – Veículo Elétrico
VEH – Veículo Elétrico Híbrido
VEHCaC – Veículos Elétrico Híbrido com Células a Combustível
VH – Veículo Híbrido
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO
1.1 Apresentação e definição do problema
As questões relativas à eficiência energética, proteção do meio ambiente,
redução das reservas mundiais de combustíveis, e o aumento da demanda, levaram
ao desenvolvimento de uma série de novas tecnologias para melhorar o desempenho
de veículos automotivos. Entre as inovações destacam-se os veículos elétricos (VEs)
e os veículos híbridos (VHs). Vários modelos de veículos híbridos vêm sendo
lançados mundialmente para atender diversos nichos de mercado.
Pesquisas realizadas nos EUA comprovaram que em Agosto de 2000,
apenas 36% dos entrevistados tinham algum conhecimento sobre veículos elétricos
híbridos (VEHs), mas em Maio 2004, o percentual de pessoas que conheciam os
VEHs aumentou para 55% [1], conforme ilustra a Figura 1.1.
Figura 1.1 – Percentual das respostas à pergunta: “Cite algum VEH” [1].
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
2
Hoje, a tecnologia dos VEs é conhecida como sendo uma tecnologia limpa,
enquanto os VEHs em geral são sinônimos de veículos que oferecem uma maior
economia de combustível e baixa emissão de poluentes, quando comparado aos
sistemas de propulsão convencionais.
O termo “híbrido” deriva da combinação de duas ou mais fontes de potência
[18], sendo que a combinação mais comum se faz através de um motor de combustão
interna (MCI), comumente usado em veículos convencionais, com o conjunto bateria
e motor elétrico (ME) usados nos VEs [25]. Esta combinação possibilita aos VEHs
grande autonomia e rápido reabastecimento, presente nos veículos convencionais, e
baixo ruído, aceleração suave e demais benefícios ambientais característicos dos
veículos elétricos [3].
Projeções de vendas dos VEHs nos EUA e Europa [2] indicam um forte
crescimento para os próximos anos conforme mostram as Figuras 1.2 e 1.3.
Figura 1.2 – J.D. Power and Associates “2003 Hybrid Vehicle Outlook” [2].
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
3
Figura 1.3 – Frost and Sullivan “Analysis of the European Market for HEV” [2].
Assim, seja pela previsão do esgotamento das reservas de combustíveis não
renováveis, seja pela poluição causada com sua queima, torna-se fundamental o
conhecer os princípios de funcionamento destas novas tecnologias.
1.2 Objetivos
A proposta deste trabalho é estudar as principais características dos VEHs,
realizando simulações para mostrar o desempenho, níveis de emissões e o
comportamento de seus principais componentes, as baterias e os motores elétricos.
Uma vez que os veículos comerciais possuem características específicas, a
abrangência deste trabalho estará restrita aos veículos de passeio.
Estaremos usando nas simulações o motor Zetec Rocam 1.0L da Ford que
equipa o Fiesta e o Ka. Como alguns dados são confidenciais, estaremos fazendo uso
de informação obtidas na internet [79] [61] [72] [24].
1.3 Organização do trabalho
Inicialmente algumas características dos MCIs, VEs, e VEHs serão
apresentadas. Para os VEHs discutiremos os tipos de configurações, que
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
4
normalmente combinam um motor de combustão interna, podendo usar gasolina,
diesel, gás natural, álcool ou outro combustível, com um motor elétrico e uma
bateria.
Basicamente, existem duas configurações para os VEHs [8]:
� Configuração em série, onde o motor a combustão provê potência a
um gerador que carrega as baterias e provê eletricidade para que o
motor elétrico possa entregar potência às rodas.
� Configuração paralela, o motor a combustão ou o motor elétrico, ou
ambos, entregam potência às rodas.
É importante mencionar, que é possível fazer a combinação destas
configurações, possibilitando-se obter outra configuração conhecida como veículos
elétricos híbridos complexos (VEHC), exemplo Prius da Toyota, onde existe uma
combinação entre a configuração série e paralela, e a potência é dividida através de
uma caixa planetária ou uma transmissão continuamente variável (CVT) [90]. O
trabalho será restrito a configuração série e paralela.
Na seqüência, descreveremos brevemente os principais componentes dos
VEHs, sendo que no capitulo 3 discutiremos mais profundamente sobre os sistemas
de armazenamento de energia, apresentando uma modelagem matemática para as
baterias.
No capítulo 4, discutiremos os principais conceitos e fundamentos dos
motores elétricos de corrente contínua e dos motores de indução magnética.
Tanto para os veículos convencionais, como para os elétricos ou híbridos, as
equações básicas do movimento são estabelecidas de acordo com segunda lei de
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
5
Newton, assim no capítulo 5 serão apresentados alguns conceitos básicos de
dinâmica veicular.
Em geral, estudos dos VEHs demonstram uma capacidade para reduzir
consumo de combustível e emissões significativamente, assim sendo, no capítulo 6
será feito um estudo comparativo de um sistema convencional com as configurações
dos VEHs paralelo e série.
Para a simulação, usaremos o programa ADVISOR (ADvanced VehIcle
SimulatOR) desenvolvido pela National Renewable Energy Laboratory (NREL) e
Argonne National Laboratory (ANL). Este programa permite realizar simulações
através da mudança de algumas variáveis de modelos de veículos existentes, ou
adicionar novos variáveis de entrada. O capítulo 6 é finalizado com a revisão e
análise dos resultados obtidos.
No capítulo 7, faremos a conclusão e também sugestões de estudos futuros.
As investigações e simulações neste trabalho serão realizadas tendo como
base as configurações série e paralela de veículos híbridos. As simulações e
validações não foram realizadas em ambientes reais, ou seja, não foi possível realizar
testes em veículos, pois não havia disponibilidade.
Outro ponto a considerar é a impossibilidade do uso de informações
confidenciais das montadoras, limitando assim a confiabilidade dos resultados
obtidos, por exemplo, o mapa de consumo de combustível do MCI.
1.4 Revisão dos programas utilizados
A idéia de veículos elétricos não é nova. Em 1835, Stratingh desenvolveu o
primeiro VE na cidade holandesa de Groningen [8]. No decorrer dos anos os VEs
não conseguiram ganhar mercado, porém serviram de base para os veículos elétricos
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
6
híbridos. Estudos de veículos híbridos comerciais (ônibus) na cidade de Nova York
mostraram uma redução do consumo de combustível, agregado a uma redução dos
níveis de emissões [55].
Visando possibilitar simulações do consumo de combustível e emissões das
tecnologias híbridas, em 1994 foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de
Energia Renovável um programa chamado ADVISOR [56].
O ADVISOR é um programa de simulação para veículos convencionais,
veículos elétricos e veículos híbridos, projetado para obter as respostas dos
componentes principais, tais como motores a combustão, motores elétricos, baterias,
transmissões, em um determinado ciclo de tráfego de maneira rápida e eficiente,
como exposto no Capítulo 6 deste trabalho.
Outros programas foram sendo desenvolvidos no decorrer dos anos,
contribuindo para o avanço no campo das simulações de modelos matemáticos,
aquisições e análises de dados. Ainda neste trabalho vamos usar o programa de
simulação, MATLAB®.
Em grande parte a flexibilidade do ADVISOR está relacionada à facilidade
e flexibilidade de modelagem e simulação do Simulink®, parte integrante do pacote
MATLAB® oferecido pela MathWorks [56].
CAPÍTULO 2
SISTEMAS DE PROPULSÃO
2.1 Introdução
Os motores a combustão interna completaram 125 anos de existência em
2001. Diante das crescentes exigências ambientais (conforme exposto no Capítulo 1),
várias discussões têm surgido sobre novas tecnologias em substituição ao sistema
convencional de propulsão usando este tipo de motor [19].
Entre estas novas tecnologias, estão os VEHs, já presentes no mercado, por
exemplo, o Prius da Toyota, o Insight da Honda, o Escape da Ford. Todos possuem
um motor de combustão interna como a fonte preliminar de potência, e o motor
elétrico que provê potência durante a partida e durante a aceleração e, eventualmente,
também supre potência em condição de alta demanda. Novos modelos estão sendo
desenvolvidos por várias outras montadoras [20].
Quando falamos em mudar os sistemas convencionais de propulsão ou
desenvolver novos sistemas, vários fatores precisam ser considerados. É necessário
atender as necessidades do mercado e as regulamentações de emissões, e ainda
oferecer caracteristicas diferenciais como baixo consumo e alta potência, através do
desenvolvimento de novas tecnologias, conforme mostrado na Figura 2.1.
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
8
Figura 2.1 – Requisitos para novos sistemas de propulsão.
No Brasil, a utilização de novas tecnologias aplicadas aos sistemas de
propulsão passou a ser feita a partir de 1997 [21] com a entrada dos sistemas de
gerenciamento eletrônico dos MCIs. Depois de quase oito anos os MCIs ainda são o
melhor compromisso para atender as diferentes exigências com baixo custo.
Porém num futuro não muito distante, com a entrada de novas legislações, e
com os níveis de emissões permitidos cada vez mais restritos, as tecnologias híbridas
poderão se tornar mais comuns.
2.2 Características dos motores de combustão interna
A característica básica da maioria dos veículos é o acionamento feito com
um MCI, que converte a energia de um combustível (gasolina, diesel, álcool, gás
natural) em energia mecânica que é utilizada para acionar as rodas do veículo.
O MCI pode operar em diversas condições, porém existe um ponto “ótimo”
de operação, em que o MCI apresenta a maior eficiência e emite menos gases
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
9
poluentes, conforme mostra a Figura 2.2. Fora deste ponto “ótimo”, o consumo de
combustível é maior (menor eficiência) e por conseqüência a emissão de gases
poluentes é maior [23].
Figura 2.2 – Característica dos motores de combustão interna [3].
Quando os veículos estão em operação, é necessário haver várias
combinações de velocidade e de torque para que o MCI opere próximo à condição de
maior eficiência. Para atender esta necessidade existe a caixa de transmissão, que
tem como atributo principal fazer com que o motorista através da embreagem possa
mudar as marchas de maneira a adaptar a rotação/torque do motor às solicitações da
roda, buscando sempre trabalhar no ponto de maior eficiência [22].
A Figura 2.3 mostra o fluxo de energia num sistema de propulsão
convencional, onde a potência final gerada nos eixos é dada pela conversão da
energia química do combustível usado em energia mecânica, [23], que é transferida
às rodas através da caixa de câmbio.
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
10
Figura 2.3 – Fluxo de energia em sistemas de propulsão convencional.
Vários gases são liberados durante o processo de combustão. Se o processo
de combustão fosse perfeito, estes gases consistiriam apenas de dióxido de carbono
(CO2) e água (H2O), porém, como a combustão não é perfeita os gases de exaustão
também apresentam monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx),
hidrocarbonetos (HC) e outros. [21] e [23].
Em determinadas circunstâncias, pode ocorrer a combustão ideal em um
motor de combustão interna, também conhecida como combustão estequiométrica,
quando todos os hidrocarbonetos são transformados em CO2 e em H2O.
Podemos definir a mistura estequiométrica como sendo a razão da
quantidade de ar (m³) necessária para a combustão completa de 1m³ de combustível.
Visando determinar quanto a mistura ar-combustível se desvia do valor
estequiométrico, defini-se o coeficiente de ar Lambda (λ) com sendo a razão entre a
quantidade (m³) de ar disponível para a combustão de 1m³ de combustível, pela
quantidade (m³) de ar necessário para a combustão completa de 1m³ de combustível,
conforme Equação 2.1 [22]:
tricaestequiomélcombustívearMistura
empregadalcombustívearMistura�
��
est
real ⇔= Equação 2.1
Podemos classificar λ da seguinte maneira [23]:
• Quando λ<1, deficiência de ar e, portanto, uma mistura rica.
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
11
• Quando λ=1, mistura estequiométrica.
• Quando λ>1, excesso de ar e, portanto, uma mistura pobre.
2.3 Sistemas Híbridos
A redução das emissões é dependente do valor de λ [23] [14], que possui
uma única janela de trabalho, conforme mostrado na Figura 2.4.
Figura 2.4 – Emissão de CO, HC e NOx em função do coeficiente de ar λ [23].
Verificamos que a medida que λ vai se aproximando do valor
estequiométrico, λ=1 , a emissão de CO e HC diminui enquanto que a de NOx
aumenta. Porém, conforme o valor de λ ultrapassa o valor estequiométrico (faixa de
mistura pobre), a emissão de HC volta a aumentar, a de CO permanece baixa e a de
NOx diminui.
A grande questão é: O que fazer para atender os limites de emissões durante
as acelerações rápidas ou em transitórios de demanda de potência que acabam
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
12
forçando o valor de λ a sair da área de trabalho, e ao mesmo tempo melhorar a
economia de combustível, aumentar a autonomia, e diminuir os níveis de ruídos?
A resposta pode ser encontrada nos VEHs, que possibilitam a redução das
emissões, melhorias na economia de combustíveis e aumento da autonomia [17] [18]
[27] [34] [37] [38] [39]. Uma vantagem dos VEHs é a possibilidade de estabelecer
um controle de maneira que a potência seja fornecida pelo motor elétrico a medida
que λ aumenta, evitando-se quedas de torque características dos MCIs [25]. A Figura
2.5 [15] [40] mostra a perda de torque do MCI a medida que λ aumenta.
Figura 2.5 – Perda de torque em função de λ [40, página 44, figura 5.3].
2.4 Princípios de funcionamento dos VEHs
Tipicamente, os veículos elétricos híbridos usam um sistema de propulsão
que consiste de um motor elétrico e um motor de combustão interna, ou seja, operam
usando duas ou mais fontes diferentes de potência. O uso de duas fontes de potência
diferentes permite projetar o veículo explorando as vantagens de cada fonte [38].
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
13
Visando entender como funciona um VEH, é interessante primeiramente
recordar os princípios básicos de acionamento dos VEs.
2.4.1. Veículos Elétricos
Nos Veículos Elétricos o acionamento é feito através de um motor elétrico
(ME) que pode acionar diretamente as rodas, usando a energia armazenada em um
conjunto de baterias, ou ultra-capacitores [27]. Não existe aqui a necessidade de
caixa de transmissão. Os VEs são silenciosos, têm partida suave, poucas vibrações e
não emitem poluentes. São conhecidos como sendo uma tecnologia limpa [8] [33]
[41], onde a potência transferida às rodas é fornecida apenas pelo ME, conforme
Figura 2.6.
Figura 2.6 – Distribuição dos componentes no veículo elétrico.
As baterias armazenam a energia elétrica para operar um motor elétrico, e
este por sua vez, converte a energia elétrica em energia mecânica. Nos VEs não se
faz necessário o uso de transmissão convencional, nem sistema de exaustão
(escape+catalisador). Os veículos elétricos, entretanto, possuem determinadas
limitações [8]:
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
14
� Autonomia limitada e alto tempo de recarga
� As baterias são pesadas e requerem grandes espaços no veículo,
além de que seu ciclo de vida é relativamente curto.
� Baterias descartadas são altamente poluentes.
A Figura 2.7 mostra as características de acionamento de um sistema de
propulsão elétrica e de um veículo com MCI. No motor elétrico existe uma região em
que o torque é constante, uma característica fundamental dos motores elétricos, ou
seja, alto torque em baixas velocidades e baixo torque em altas velocidades.
Figura 2.7 – Características de acionamento de um VE e de um MCI [13].
2.4.2. Veículos Elétricos Híbridos
Os Veículos Elétricos Híbridos com MCI podem ser classificados
genericamente como sistemas híbridos série ou paralelo [4]-[7]. No modo de série, o
Propulsão elétrica
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
15
motor a combustão aciona um gerador que carrega as baterias, que provê eletricidade
para o motor elétrico, que provê potência mecânica às rodas [8] [18]. No modo
paralelo, o motor de combustão interna e/ou o motor elétrico entregam potência
mecânica às rodas [10] [16] [27]. Também existe uma outra configuração de veículos
híbridos: os VEHs com célula a combustível (CaC), onde a potência elétrica é gerada
a partir de um conjunto de células a combustível (ex: Hidrogênio, Etanol) [65],
carregando as baterias e alimentando o motor elétrico que fornece potência mecânica
às rodas.
Os VEHs combinam a autonomia e facilidade de reabastecimento,
encontrados em um veículo convencional com MCI, com os benefícios ambientais e
o alto torque em baixas velocidades de um veículo elétrico [8]. Outras vantagens dos
VEHs incluem a economia de combustível, que dependendo do tipo de configuração
pode chegar a uma redução de 15% com frenagem regenerativa dos freios [66],
baixos níveis de emissões comparados aos veículos convencionais [9] [16], e redução
dos níveis de ruídos e vibrações.
2.4.2.1. Configuração Paralela
Na configuração paralela dos VEHs, tanto o motor a combustão quanto o
motor elétrico podem fornecer potência ao mesmo tempo [10] [16] [27], dependendo
da estratégia de gerenciamento de energia escolhida [17].
Os VEHs possuem um tanque de combustível para acionar o MCI, e um
conjunto de baterias que fornece a energia elétrica requerida pelo ME.
Notar pela Figura 2.8 que o motor a combustão e o motor elétrico estão
conectados a transmissão de maneira independente, o que requer um sistema de
controle de potência de maior precisão [12].
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
16
Figura 2.8 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração paralelo.
Na configuração paralela, os VEHs não precisam de um gerador dedicado,
pois o próprio motor elétrico é usado como gerador para recarregar as baterias. A
desvantagem comparada à configuração série é que o sistema requer uma estratégia
de controle mais sofisticada [12]. A seguir, Figura 2.9, o fluxograma de energia na
configuração paralela:
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
17
Figura 2.9 – Fluxograma de energia na configuração paralela.
2.4.2.2. Configuração Série
Na combinação série, os VEHs possuem um MCI em série com um gerador
em série com um ME. A idéia principal nesta configuração é fazer com que o MCI
trabalhe dentro do ponto "ótimo" de operação, onde é maior a eficiência e menor a
emissão de gases poluentes [23], uma das vantagens deste tipo de configuração.
As conexões elétricas e mecânicas são mostradas na Figura 2.10 [10], e o
fluxograma de energia para esta configuração também é apresentado na Figura 2.11.
A potência requerida pelo ME é fornecida pela bateria [7], e quando o estado de
carga (SOC) da bateria está dentro do mínimo pré-determinado, o MCI aciona o
gerador para recarregar a bateria. Em geral, o sistema de controle desliga o MCI
quando a bateria está com o SOC desejável [53] [10].
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
18
Nos VEHs em série não existe nenhuma conexão mecânica entre o MCI e as
rodas [10], havendo necessidade de duas conversões de energia entre o MCI e as
rodas (MCI� Gerador � Bateria � ME), levando a perda de energia por causa das
resistências internas dos acoplamentos mecânicos e fricção [9] [10]. Nestas
configurações, a caixa de transmissão deixa de ser necessária, constituindo-se numa
vantagem de custo [8].
Uma desvantagem da configuração serie diz respeito ao tamanho da bateria
e do ME, que acaba aumentando ainda mais as perdas durante o processo de carga e
descarga da bateria [12].
Figura 2.10 – Distribuição dos componentes no veículo na configuração série.
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
19
Figura 2.11 – Fluxograma de energia na configuração série.
2.4.3. Índice de hibridização
Ao projetar um VEH, é importante saber qual é o grau de hibridização de
maneira que o MCI e o ME possam ser corretamente dimensionados, o que acaba
sendo um dos assuntos mais complicados no desenvolvimento do sistema de
propulsão híbrido. Tradicionalmente, simulações são feitas visando determinar a
melhor escolha, porém estas simulações são complexas e acabam consumindo uma
boa parte do tempo do desenvolvimento [67]. Para se tomar uma decisão, os
seguintes fatos devem ser considerados:
• Para um veículo que tem o ME como o sistema de propulsão
principal, o MCI será consideravelmente menor e o conjunto bateria
e o ME serão grandes [8], ocupando um grande espaço no veículo e
aumentando consideravelmente o peso do veículo.
• Para um veículo com maior domínio do MCI, o ME será menor, e
possivelmente vai requerer um conjunto menor de bateria.
A grande maioria dos VEHs em produção foi desenvolvida com maior
CAPÍTULO 2 – SISTEMAS DE PROPULSÃO
20
domínio dos MCIs. As razões estão na redução significativa do peso que influencia
diretamente no desempenho do sistema como um todo [68], na relativa facilidade de
implementação e no custo [67].
Visando justamente quantificar o grau de hibridização, foi criado o índice
DOH (Degree of Hybridization) [8], Equação 2.2:
MCIPotênciaMEPotênciaMEPotência
DOH+
= Equação 2.2
Temos, então:
0 � DOH � 1
• Quanto menor o índice � Maior será o domínio do MCI. Para
DOH=0, temos um veículo com motor de combustão interna
convencional.
• Quanto maior o índice � Maior será o domínio do ME. Para
DOH=1, temos um veículo puramente elétrico.
Este índice ajuda a decidir qual tipo de estratégia de controle usar para cada
componente, por exemplo, se DHO = 0,4, podemos escolher uma estratégia de
controle mais apurado para o MCI. A razão desta escolha pode ser explicada levando
em consideração o fato de que as variáveis associadas ao MCI possuem maiores
tendências de afetar a eficiência em termos de consumo de potência do que as
variáveis associadas ao ME [67].
CAPÍTULO 3
BATERIAS
3.1 Introdução
Do capitulo anterior, é possível afirmar que a bateria é componente
essencial nas configurações dos VEHs apresentadas, o que torna fundamental
entender o princípio de funcionamento deste componente. Assim, neste capítulo
serão apresentados alguns tipos de baterias, e suas desvantagens e vantagens. Depois
disso, vamos modelar a capacidade da bateria (CAP) e o seu estado de carga (SOC).
3.2 Caracterização de parâmetros
As baterias consistem de células eletroquímicas, que normalmente são
conectadas em série [8]. As células convertem energia química em energia elétrica
[11], provendo a corrente elétrica necessária para acionar uma série de componentes
elétricos, incluindo o motor elétrico dos VEHs. Alguns componentes básicos de uma
bateria chumbo-ácido (PbO) são mostrados na Figura 3.1.
A decisão sobre qual tipo de bateria usar em uma aplicação VEH, depende
do desempenho e comportamento que se deseja obter da bateria [30]. Alguns
parâmetros que devem ser levados em consideração e que afetam o comportamento e
o desempenho de uma bateria serão brevemente descritos a seguir.
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
22
Figura 3.1 – Bateria elétrica [77].
3.2.1. Capacidade - Cp
A capacidade de bateria é uma medida de quanta energia a bateria pode
armazenar em Ampere-hora, definida pela Equação 3.1 [28]:
TICp k ×= Equação 3.1
onde Cp é a capacidade de Peukert, dado em Ampère-hora [Ah], k é a
constante de Peukert, I é a corrente média de descarga [A], e T é o tempo de descarga
[h].
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
23
A capacidade da bateria é afetada diretamente pela corrente que é drenada
durante a descarga e pela queda da temperatura [23], ou seja, a capacidade da bateria
é reduzida a medida que a taxa de descarga aumenta, ou a medida que a temperatura
ambiente cai.
Como exemplo, para uma bateria de 56Ah, significa dizer que a bateria
pode prover 1A por 56 horas, ou 2A por 28 horas, ou na teoria 56A por 1 hora, pois
na prática dificilmente uma bateria conseguiria manter 56A por 1 hora [8].
3.2.2. Energia - E
A energia (E), em Watt-hora (Wh) de uma bateria, depende da tensão
medida nos terminais da bateria (Vbat) e da capacidade (Cp), representada pela
Equação 3.2 [8].
CpVE bat ×= Equação 3.2
onde Vbat pode ser obtida medindo-se a tensão nos terminais da bateria em
circuito aberto, ou seja, sem nenhum componente conectado aos terminais da bateria,
conforme mostrado na Figura 3.2, e também, através de testes com algum
componente conectado à bateria totalmente carregada [31], onde Vo é tensão interna
de circuito aberto.
Figura 3.2 – Modelo linear de uma bateria.
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
24
Ou seja:
intRIVV batobat ×−= Equação 3.3
onde Ibat é a corrente elétrica gerada em função dos componentes conectados
aos terminais positivo e negativo da bateria, e Rint é a resistência interna da bateria.
Devemos tomar cuidado com a aplicação da Equação 3.2 na determinação
da energia da bateria, pois conforme mencionado no item 3.2.1, a capacidade Cp
varia em função da taxa de descarga requerida, e também a tensão Vbat é dependente
de outros fatores que serão mais bem detalhados no item 3.4.1.
3.2.3. Densidade de Energia
Densidade de energia é uma medida da quantidade de energia que pode ser
extraída de uma bateria por unidade de volume, dada em Wh/l (Watt-hora/litro). É
um parâmetro importante, pois pode trazer sérios impactos de espaço no
desenvolvimento do veículo, devido ao volume da bateria.
3.2.4. Energia Específica
É uma medida da quantidade de energia por cada quilograma de bateria,
dada em Wh/kg (Watt-hora/quilograma). Uma vez conhecida a energia necessária
para a aplicação e sabendo qual é a energia específica, temos uma boa aproximação
para a massa da bateria.
3.2.5. Potência Específica
É a medida da quantidade de potência por cada quilograma de bateria, dada
em W/kg (Watt/quilograma). Este parâmetro depende em grande parte da carga
conectada à bateria. Pode acontecer de muitas baterias possuírem boa energia
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
25
específica, porém baixa potência específica, o que significa dizer que a bateria pode
armazenar grande quantidade de energia, porém não pode entregar esta energia
rapidamente, devido à baixa potência específica.
3.2.6. Eficiência
A eficiência da bateria é dada pela relação entre a energia fornecida pela
bateria, em uma descarga, pela energia necessária para recarregar a bateria de
maneira que retorne ao estado inicial (antes da descarga). Este vem sendo um
argumento favorável na implementação dos VEs [8], pois a eficiência das baterias é
incontestável quando comparada a outras fontes de energia, mesmo em situações
extremas de carga e descarga.
3.3 Sistemas de armazenamento de energia - Baterias
Atualmente, várias tecnologias de baterias vêm sendo comercializadas no
mercado, porém muita pesquisa ainda está sendo realizada na busca de baterias mais
avançadas, com maior autonomia para aplicações em VEHs, VEs, e veículos
elétricos híbridos com células a combustível (VEHCaC) [32].
A seguir, apresentaremos algumas características das tecnologias que estão
sendo usadas atualmente, incluindo as vantagens e desvantagens de cada bateria. É
importante ressaltar que daremos maior ênfase à tecnologia Hidreto Metálico de
Níquel (NiMH) e à tecnologia Lítio-Íon, uma vez que pesquisas na área de sistemas
de armazenamento [32] indicam que estas duas tecnologias atendem os objetivos de
custo e desempenho desejados.
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
26
3.3.1. Baterias Chumbo-ácido (PbO)
São as baterias mais usadas mundialmente nos veículos com MCI [8]. Uma
das características notáveis nestas baterias está relacionada à sua baixa resistência
interna, o que significa dizer que Vbat � Vo na Equação 3.3. A reação química é
mostrada na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Célula chumbo-ácido.
Estas baterias possuem baixo custo por Watt-hora, porém tem como
desvantagem a baixa energia específica por célula, requerendo baterias de grande
massa em aplicação nos veículos que requerem uma maior autonomia.
3.3.2. Baterias Níquel-Cádmio (NiCd)
Estas baterias foram largamente estudadas em aplicações de VEs, como
exemplo no Peugeot 106, Citroen AX, Ford Th!nk. Para o pólo positivo, usa-se
hidróxido de níquel, e no pólo negativo cádmio metálico. São baterias de alta
durabilidade e grande vida média [33], porém seu alto custo é um fator inibidor. Em
geral, seu custo chega a ser cerca de três vezes superior ao das baterias chumbo-
ácida, apesar de existir uma grande perspectiva de redução no futuro [35].
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
27
3.3.3. Baterias Hidreto Metálico de Níquel (NiMH)
Estas baterias possuem alta eficiência e podem ser recarregadas
rapidamente. Em termos gerais, possuem maior densidade de energia e densidade de
potência que as baterias NiCd [8] [33]. Como exemplo, admitamos que seja
necessário uma bateria de 672 Wh. Considerando que a NiMH possui uma densidade
de energia de 150 Wh/L e a NiCd de 70 Wh/L [8] [35], concluímos que o volume da
NiMH será bem menor que o da NiCd.
Atualmente, entre todas as baterias, a tecnologia NiMH tem grande
destaque, sendo comumente usadas em VEHs [10], como exemplo, no Toyota Prius e
no Honda Insight. Com o incremento mundial do volume de vendas, há expectativa
de queda nos custos num futuro próximo. A seguir, a Tabela 3.1 mostra algumas
características da bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32].
Tabela 3.1 – Bateria COBASYS Serie 1000 NiMH [32].
3.3.4. Baterias Lítio-Íon
Estas baterias apresentam maior densidade de energia dentre todas as
baterias apresentadas até o momento. É considerada como sendo a mais promissora
entre todas as baterias recarregáveis do ponto de vista de redução de peso [8]. Sua
aplicação na indústria automobilística está em patamares bastante reduzidos, isso em
grande parte devido aos altos custos. Visando investigar e avaliar as características
de desempenho destas baterias, um veículo conceito e-KA foi desenvolvido pela
parâmetro Caracteristicas NiMH
Potência específica (W/kg) 1125 Densidade de potência (W/L) 2100 Energia específica (Wh/kg) 52
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
28
Ford Forschungszentrum Aachen (FFA), equipado com uma bateria Lítio-Íon da
SAFT.
Uma séria desvantagem desta tecnologia é a necessidade de uma maior
monitoração durante o processo de recarga [22] [42], visando evitar danos à bateria,
e principalmente evitar acidentes fatais, uma vez que existe o risco de explosões em
caso de sobrecarga [42]. Outro ponto negativo destas baterias está relacionado à
instabilidade térmica, especialmente para células maiores, necessárias em VEHs.
Além disso, o desempenho cai drasticamente a temperaturas extremas (acima de 65
ºC ou abaixo de 0 ºC) [36].
A seguir, a Tabela 3.2 mostra algumas características e uma bateria Lítio-
Íon produzida pela SAFT [32].
Tabela 3.2 – Bateria Lítion-Íon SAFT [32].
3.4 Modelo matemático
Vários parâmetros precisam ser considerados na modelagem das baterias, e
o maior desafio está em lidar com suas características não lineares [30] [31].
Em VEHs, uma informação muito importante é o estado de carga da bateria,
que indica a quantidade de energia elétrica armazenada na mesma. O SOC se refere à
capacidade residual de uma bateria, variando entre 0 e 1, onde 0 representa uma
bateria totalmente descarregada e 1 uma bateria com plena carga. É definida pela
Equação 3.4 [28] [29]:
parâmetro Caracteristicas Lítion-íon
Potência específica (W/kg) 900 Densidade de potência (W/L) 1450 Energia específica (Wh/kg) 75
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
29
)tt(
)tt()tt()tt( Cp
CpuCpSOC
δ
δδδ
+
+++
−= Equação 3.4
Conforme visto no item 3.2.1, Cp é a capacidade total da bateria dado em
Ah, e Cpu é a capacidade usada.
É importante estabelecer limites apropriados no controle do SOC, como no
Toyota Prius que possui limites de controle entre 40% e 80% [26]. Medições tanto no
Toyota Prius e no Insight da Honda indicam que durante o processo de carga e de
recarga o SOC permanecia em torno de 50%.
Para que o SOC seja mantido dentro de limites seguros [69] [42], é essencial
conhecer como este parâmetro se comporta. Devido à natureza das baterias, que
dependem de muitos fatores como temperatura, capacidade de bateria e resistência
interna, o SOC não é uma quantidade fácil para se determinar, e existem vários
modelos disponíveis [31]. Neste trabalho, apresentaremos o modelo de Thevenin, o
mais comumente utilizado por considerar as variações da resistência interna devido à
temperatura e ao estado de carga. Este modelo também é implementado no programa
ADVISOR [36].
3.4.1. Modulo Thevenin
De acordo com [69], [70] e [71] existe uma relação linear entre o SOC e a
tensão de circuito aberto, dada pela Equação 3.5 [69]:
ab)t(V
)t(SOCb)t(SOC*a)t(V OO
−=⇔+= Equação 3.5
Os parâmetros a e b podem ser obtidos seguindo-se a seqüência abaixo [69]:
� Obtenção de b: conhecendo Cp (dado informado no catálogo da
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
30
bateria), aplica-se uma taxa de descarga Cpu de maneira que toda a
capacidade Cp da bateria seja consumida, ou seja, SOC = 0%. Logo,
b=Vo(t), onde Vo(t) pode ser obtido medindo-se a tensão nos
terminais da bateria no momento em que toda a capacidade da
bateria for consumida.
� Obtenção de a: Com o valor encontrado de b e conhecendo a tensão
máxima (Vmax) da bateria (dado informado no seu catálogo), fazemos
Vo(t)=Vmax e SOC = 100%. Logo, a=Vmax – b.
Segundo [69] e [70], o modelo que melhor representa o comportamento
dinâmico de uma bateria para aplicações em veículos elétricos ou híbridos é dado
pelo circuito elétrico da Figura 3.4. Isso se deve ao fato de que este modelo considera
os seguintes fatores:
� Energias perdidas (elétricas e químicas) durante o processo de carga
e descarga.
� Transitórios de corrente, presentes nas aplicações VEs e VEHs [32],
incluindo a capacitância de polarização, que segundo [69] estaria em
torno de 40 F.
� Eletrólise da água e outros efeitos devido à temperatura.
Figura 3.4 – Modelo matemático de uma bateria [69] [70].
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
31
Onde:
Vo é a tensão de circuito aberto.
Rd é a resistência equivalente de descarga da bateria.
Rc é a resistência equivalente de carga da bateria.
Rd é a resistência equivalente de descarga da bateria.
Rbat é a resistência no terminal da bateria.
C é a capacitância de polarização representando a difusão química do
eletrólito da bateria [69].
Os diodos mostrados na Figura 3.4 estão presentes apenas para indicar o
fluxo da corrente e não têm nenhum significado físico na bateria [70].
Assim, temos a seguinte condição:
� Durante o processo de carga, Vbat é maior que Vo devido à queda de
tensão na resistência Rc.
� Durante o processo de descarga, Vbat é menor ou igual a Vo devido à
queda de tensão na resistência Rd.
Considerando o processo de descarga da bateria e aplicando a lei de
Kirchhoff no circuito da Figura 3.4, temos:
)4(
)3(
)2(
)1(0.
1
1
→−
=
→=
→+=
→=−−
bat
batpb
pc
cb
pdo
R
VVi
dt
dVCi
iii
ViRV
Pondo (3) em (2) e depois em (1) temos a Equação 3.6:
CR
V
Ci
CRV
dt
dV
d
pb
d
op −−= Equação 3.6
CAPÍTULO 3 – BATERIAS
32
De (4) temos a Equação 3.7:
bbatpbat iRVV .−= Equação 3.7
Para a obtenção de Vbat, é preciso encontrar Vp na Equação 3.6. Esta, porém,
só pode ser obtida a partir de Vo, que é um parâmetro difícil de ser determinado,
porém bastante explorado por Baskar [70]. Vale lembrar que ib pode ser medida e,
que Rbat é definida no catálogo da bateria.
CAPÍTULO 4
MÁQUINAS ELÉTRICAS
4.1 Introdução
Para conseguir alcançar uma alta eficiência nos VEHs, é necessário entender
como cada componente funciona, e com isso buscar minimizar o total de perdas.
Conforme mencionado no capitulo 2, os VEHs operam usando duas ou mais fontes
diferentes de potência, tipicamente um motor de combustão interna, e um motor
elétrico, que pode também operar como gerador nas configurações em paralelo [9]
[46] [47]. Assim, neste capítulo vamos rever alguns conceitos e princípios de
funcionamento das máquinas elétricas (motores/geradores). Para efeito de estudo
vamos modelar e discutir as características, vantagens e desvantagens dos motores de
corrente contínua (MCC) e dos motores CA de indução magnética (MIM).
4.2 Fundamentos gerais sobre máquinas elétricas
Máquinas elétricas podem ser classificadas amplamente em duas categorias
dependendo do tipo de torque, que pode ser de excitação ou de relutância. Em
ambos, o torque é produzido pelo princípio de alinhamento, ou seja, a tendência de
alinhamento de dois campos magnéticos [52].
Boa parte das máquinas elétricas opera usando o princípio do torque de
excitação [8], seja pela energização das bobinas ou pela aplicação de correntes
elétricas.
Na categoria de torque de relutância, o movimento é produzido por causa da
resistência magnética variável (relutância) entre o rotor e o estator. Quando o estator
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
34
é energizado, um único campo magnético é gerado, e o torque de relutância é
produzido pela tendência do rotor em mover para a sua posição de relutância
mínima.
A Figura 4.1 mostra uma das características típicas das máquinas elétricas,
que é justamente o alto torque em baixas velocidades. Esta característica é bastante
interessante quando olhamos os ciclos de emissões dos veículos, que faz dos motores
elétricos peças fundamentais na estratégia de controle de emissões dos VEHs. Com
isso será possível estabelecer um controle de maneira que durante os transitórios,
onde as emissões são maiores [18] [22] [23], a potência seja fornecida pelo motor
elétrico, evitando-se assim as perdas de torque dos MCIs [15] [40].
Figura 4.1 – Características das máquinas elétricas.
4.3 Tipos de motores elétricos
Dentre os diversos tipos de motores, podemos classificá-los como motores
de corrente contínua (CC) e motores de corrente alternada (CA). A Figura 4.2
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
35
apresenta alguns tipos de motores de acordo com esta classificação:
Figura 4.2 – Classificação de alguns motores elétricos.
Atualmente, existem quatro tipos de motores/geradores elétricos sendo
usados em VEs e VEHs [45]. São eles: motor de corrente contínua (MCC), motor de
indução magnética (MIM), motor de ímã permanente (MIP), e motor de relutância
chaveado (MRC), sendo que os MIMs e os MIPs são os mais comuns em aplicações
nos VEHs [46]. Neste trabalho apresentamos alguns conceitos dos MCCs e MIMs.
4.3.1. Motores de corrente contínua (MCCs)
Os MCCs são máquinas simples em termos de controle e operação quando
comparados com os outros tipos de máquinas. Apresentam a possibilidade de uma
regulação precisa da velocidade através da variação da tensão, porém são máquinas
relativamente caras, e com altos índices de manutenção [41].
A Figura 4.3 mostra um corte esquemático de um MCC clássico. Como as
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
36
demais máquinas elétricas, o MCC é constituído por duas partes principais:
� Estator: circuito magnético fixo, onde está implantado o circuito de
excitação destinado à criação do fluxo indutor.
� Rotor: parte móvel, que possui duas peças fundamentais: o
enrolamento do induzido onde se processa a conversão de energia
mecânica em elétrica e vice-versa, e o coletor, que constitui um
conversor mecânico de "corrente alternada para corrente contínua"
ou vice-versa.
Figura 4.3 – Corte de uma máquina de corrente contínua.
Do ponto de vista do acionamento do MCC, é possível definir no plano
torque x velocidade quatro regiões de operação, como indicado na Figura 4.4. Notar
que dependendo da direção do torque produzido e da velocidade do eixo, a máquina
tanto pode trabalhar como motor quanto como gerador, característica esta
fundamental nas configurações paralelas dos VEHs.
1- Carcaça 2- Pólos de indução do estator 3- Enrolamentos do estator 4- Pólos de comutação 5- Enrolamentos de comutação 6- Rotor
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
37
Figura 4.4 – Quadrantes de operação das máquinas elétricas.
4.3.1.1. Modelo matemático
O modelo matemático de um MCC é bastante simples. A velocidade é
controlada de acordo com a tensão aplicada va. Aplicando a lei de Kirchhoff no
circuito da Figura 4.5, temos a Equação 4.1:
Figura 4.5 – Modelo simples de um MCC com excitação independente.
edtdi
LiRv aaaaa ++=
Equação 4.1
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
38
Onde:
va é a tensão aplicada na armadura
La é a indutância do enrolamento da armadura
Ra é a resistência do enrolamento da armadura
e é a força contra eletromotriz
T é o torque fornecido pelo motor
J é o momento de inércia equivalente do motor
� é a velocidade angular do motor
ia é a corrente do enrolamento da armadura
Kf é o coeficiente de fricção - viscosa
Considerando o fluxo constante, a tensão induzida e é diretamente
proporcional à velocidade angular [43] [49]. Logo, temos a Equação 4.2, onde Ke é a
constante da força eletromotriz, dada em (V/rad/s).
ωeKe = Equação 4.2
Combinando as Equações 4.1 e 4.2, teremos:
a
a
a
e
a
aaa
a
Lv
LK
LiR
idtdi +ω−−==
•
Equação 4.3
O torque produzido pelo motor é aplicado ao momento de inércia e à fricção
viscosa, conforme mostra a Figura 4.5. Assim, aplicando-se a segunda lei de Newton
temos:
Tdtd
Kdt
dJ f =+ θθ 2
Equação 4.4
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
39
Como:
ωθ =
dtd
logo temos:
J
K
JT
dtd f ωωω −==
•
Equação 4.5
onde
amff iKiKT =
Nos MCCs com excitação independente, a corrente do campo de excitação if
é mantida constante [48], que resulta em um fluxo constante. Logo, T torna-se
diretamente proporcional à corrente ia e assim temos:
amiKT =
onde Km é a constante relacionada às propriedades do motor, dada em
[Nm/A].
Colocando o sistema na forma de equeção de estados [50], temos:
[ ] [ ] ��
���
�×=
��
�
�
��
�
�+�
�
���
�×
����
�
�
����
�
�
−
−−=
��
�
�
��
�
�
•
•
ω
ωω
a
aaa
fm
a
e
a
a
a
iy
vLi
J
K
JK
LK
LR
i
10
0
1
Equação 4.6
Variáveis de estados:
ia : corrente do enrolamento da armadura
ω : velocidade angular
Entrada:
va : tensão aplicada na armadura
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
40
Saída:
ω : velocidade angular
Aplicando a transformada de Laplace no sistema de Equações 4.6, obtemos
um sistema de equações algébricas:
aaa
ea
a
aaa V
LW
LK
ILR
isI1
)0( +−−=− Equação 4.7
WJ
KI
JK
sW fa
m −=− )0(ω Equação 4.8
WY = Equação 4.9
Adotando condições iniciais nulas, e resolvendo o sistema de equações
algébricas para obter a saída Y em função da entrada Va, teremos a função de
transferência G(s):
meafaafa
m
aa
KKRKsJRLKsJLK
sG
VW
VY
sG
++++=
==
)()(
)(
2
Equação 4.10
Vale salientar que o modelo obtido é válido tanto para os motores CC
clássicos, como para os motores CC do tipo BrushLess (BL) que são mais
comumente usados em aplicações VEHs [8]. A diferença básica está relacionada ao
fato dos motores MCCBLs possuírem três fases [8] que requerem um cálculo
diferente das resistências e indutâncias.
4.3.1.2. Diagrama de blocos e simulação
Uma vez que Kf é muito pequeno [73] [75], podemos reescrever a Equação
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
41
4.10 da seguinte forma:
meaa
m
aa
KKsJRsJLK
sG
VW
VY
sG
++=
==
2)(
)(
Equação 4.11
Assim, temos a seguinte representação em diagrama de blocos para o
sistema descrito pela Equação 4.6.
Figura 4.6 – Diagrama de blocos de um MCC.
4.3.1.3. Comparativo entre MCC e MCCBL
A Tabela 4.1 apresenta as principais diferenças entre um MCC convencional
e um motor MCCBL [75]:
Característica MCC MCCBL Comutação Comutação através de
escovas Comutação eletrônica baseada na posição dos sensores Hall
Manutenção Alta, requer manutenção periódica
Baixa
Período de vida Baixo Alto Eficiência Moderada Alta Potência Baixa potência, muitas
perdas térmicas Alta potência com devido às baixas perdas térmicas
Custo Menor Maior Sistema de controle Simples e barato Complexo e caro Tabela 4.1 – Comparativo entre um MCC convencional e um MCC Brushless
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
42
4.3.2. Motores de indução magnética (MIMs)
O tipo de motor elétrico mais utilizado e difundido no meio industrial são os
motores de indução magnética. Sua principal vantagem é a eliminação do atrito de
todos os contatos elétricos deslizantes e uma construção bastante simples [51], que
possibilita redução de custo. Estas máquinas são fabricadas para uma grande
variedade de aplicações. São máquinas robustas [53] e que requerem baixa
manutenção [8]; por outro lado, são máquinas que requerem um controle mais
apurado [8] [9] [53].
Conforme verificado na Figura 4.1, existem dois tipos de enrolamentos nas
máquinas de indução:
� Rotor Gaiola de Esquilo
� Rotor Bobinado
Uma vez que MIMs do tipo Rotor Bobinado são motores de grande porte e
requerem maiores cuidados de manutenção [53], eles não são recomendáveis em
VEHs, ao contrário do tipo Gaiola de Esquilo, que são máquinas de menor peso e
praticamente não requerem manutenção. A Figura 4.8 apresenta um MIM e seus
principais componentes.
As máquinas de rotor em gaiola de esquilo possuem um rotor constituído
por um núcleo de ferro no qual se encontram condutores ligados na periferia através
de anéis de curto circuito adequadamente situados nas extremidades do rotor.
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
43
Figura 4.7 – Corte lateral de um MIM [52].
O princípio básico de funcionamento de um motor de indução magnética
está relacionado ao campo magnético girante. Este campo é produzido considerando-
se que, na Figura 4.9, os enrolamentos a-a’, b-b’, c-c’ são três bobinas independentes
(ou fases abc) [52], defasadas de 120° elétricos no espaço [8], e que por elas
circulam correntes trifásicas defasadas de 120° no tempo.
Quando a máquina está em operação, apenas uma atuação na velocidade do
rotor ou na alteração do fluxo pode afetar o funcionamento do motor [48].
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
44
Figura 4.8 – Seção de um MIM.
4.3.2.1. Formas de controle
Conforme mencionado anteriormente, o controle dos MIMs é bastante
complexo, e de acordo com [52], existem diversos procedimentos clássicos de
controle dos MIMs, os quais serão apenas mencionados neste trabalho.
� Variação de tensão e freqüência constante: É uma estratégia indicada
para cargas de torque crescente, com baixo valor de torque de
arranque (partida) e motores de maior resistência [54]. A máquina
fica sub-excitada com tensão inferior à nominal e isto reduz a
disponibilidade de torque.
� Variação de tensão e freqüência (V/F constante): Recomendados
para máquinas elétricas de baixa dinâmica, onde a estratégia é
manter o fluxo nominal constante durante a variação da velocidade,
visando obter torque máximo sem saturação [54], e também manter
um baixo escorregamento de maneira a garantir um bom rendimento.
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
45
� Controle vetorial: São controles para máquinas elétricas altamente
dinâmicas e baseiam-se em modelos de regime dinâmico bem mais
confiáveis do que em modelos estáticos.
A Figura 4.10 mostra um sistema de controle com um inversor, que
possibilita a potência fluir bidirecionalmente [74], ou seja, permite que a máquina
trabalhe tanto como motor quanto como gerador. Um detalhamento completo dos
princípios de funcionamento e das diferentes maneiras de controle dos MIMs podem
ser encontradas em [52] e [74].
Figura 4.9 – Sistema de controle de um MIM.
4.3.2.2. Modelo Matemático
No momento, a maioria dos veículos em produção usa um motor de CC para
dar partida no MCI, e depois o alternador é usado para geração de potência elétrica.
Muitas pesquisas vêm sendo realizadas no sentido de investigar se uma única
máquina poderia agregar esta duas funções. As máquinas de indução são as
candidatas mais promissoras nesses estudos [57], ou seja, dar partida e ao mesmo
tempo suprir potência elétrica.
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
46
O motor de indução é normalmente representado por um modelo
matemático em coordenadas do eixo polar “direito” ou “d” e o interpolar de eixo de
“quadratura” ou “q” em movimento [9] [48] [52]. Por se tratar de sistemas de
controle bastante complexos [46] [52], que fogem do escopo deste trabalho,
apresenta-se apenas uma modelagem simplificada destes motores. O esquema
elétrico equivalente do motor de indução é mostrado na Figura 4.11.
Figura 4.10 – Esquema elétrico equivalente de um MIM.
Neste caso, as perdas no entreferro não são consideradas. O comportamento
dinâmico pode ser demonstrado de várias maneiras conforme apresentado em [52]
[53] [57] [60].
Da Figura 4.11 obtemos o seguinte sistema:
Consideramos as tensões, correntes e fluxos no motor por fase (sub-índices
1, 2, 3), como sendo:
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
47
[ ]
[ ]
[ ]
[ ] rotordofasedeCorrentesSIII
I
estatordofasedeCorrentesSIII
I
rotordofasedeTensõesRUUU
U
estatordofasedeTensõesSUUU
U
3,2,1
2R
2R
1R
2
3,2,1
3S
2S
1S
1
3,2,1
3R
2R
1R
2
3,2,1
3S
2S
1S
1
→���
�
�
���
�
�
=
→���
�
�
���
�
�
=
→���
�
�
���
�
�
=
→���
�
�
���
�
�
=
Em funcionamento normal os enrolamentos do rotor estão em curto-circuito
[73], o que significa dizer que:
[ ] 0
3
2
1
2 =���
�
�
���
�
�
=
R
R
R
U
U
U
U
Assim, podemos representar na Figura 4.12 o circuito elétrico equivalente
de um MIM em regime permanente:
Figura 4.11 – Esquema elétrico equivalente de um MIM em regime permanente.
Para efeito de simulação vamos considerar as reatâncias do sistema, e
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
48
conforme apresentado em [63], temos o circuito equivalente mostrado pela Figura
4.13, em termos monofásicos:
Figura 4.12 – Esquema monofásico de um MIM em regime permanente.
Onde:
R1 é a resistência por fase efetiva do estator
X1 é a reatância de dispersão por fase do estator
R2 é a resistência por fase efetiva do rotor
X2 é a reatância de dispersão por fase do rotor
Xm é a reatância de magnetização do núcleo
UR1 é a tensão de fase aplicada no motor
I1 é a corrente no estator
I2 é a corrente no rotor
R2/s representa o efeito combinado de carga no eixo e resistência do rotor
A maior utilidade do circuito equivalente para um MIM é sua aplicação no
cálculo do desempenho da máquina. Todos os cálculos são feitos em termos
monofásicos, admitindo-se uma operação balanceada da máquina [63].
A partir da Figura 4.13, e os parâmetros da Tabela 4.2 é possível simular o
comportamento do torque em função da velocidade dos MIMs, Figura 4.14. Para
maiores detalhes do arquivo Matlab usado para simulação, ver Apêndice A.
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
49
Parâmetro Descrição Valor Unidade UR1 Tensão por fase 254 [V] R1 Resistência do estator 0.1 [�] R2 Resistência do rotor 0.2 [�] X1 Reatância do estator 0.75 [�] X2 Reatância do rotor 0.4 [�] Xm Reatância de magnetização 20 [�] ns Velocidade de sincronismo 1800 [RPM]
Tabela 4.2 – Parâmetros para simulação de um MIM 73,5 KW.
Figura 4.13 – Comportamento torque x velocidade de um MIM.
Na Figura 4.14 estão representadas as grandezas mais utilizadas nos estudos
das máquinas de indução [53] [63] [68], onde:
� Se s<0, o torque é negativo e a máquina converte energia mecânica
em elétrica, funcionando como gerador.
� Se 0<s<1, a máquina fornece um toque positivo e converte energia
elétrica em mecânica, funcionando como motor.
CAPÍTULO 4 – MÁQUINAS ELÉTRICAS
50
� Se s>1, a máquina funciona como freio elétrico. Isto significa que
absorve potência elétrica e mecânica convertendo-as em calor.
4.3.2.3. Comparativo entre MCCBL e MIM
A seguir, a Tabela 4.3 mostra uma comparação entre os motores de corrente
contínua sem escovas (MCCBL) e os motores de indução magnética (MIMs) [75]:
Característica MCCBL MIM Torque / Velocidade Torque linear em todas as
faixas de velocidade Baixo torque em velocidades abaixo da velocidade síncrona
Inércia do rotor Baixa, características dinâmicas excelentes
Elevada, características dinâmicas pobres
Sistema de partida Simples Complexo Sistema de controle Requer controle constante, e o
mesmo controle pode ser usado para variar a velocidade
Para velocidades fixas, nenhum sistema de controle é necessário.
Potência Alta potência com devido às baixas perdas térmicas
Potência moderada
Tabela 4.3 – Comparativo entre um MCC Brushless e um MIM.
CAPÍTULO 5
DINÂMICA VEICULAR
5.1 Introdução
Neste capítulo serão discutidos alguns princípios básicos relacionados à
dinâmica veicular longitudinal. Descreveremos os modelos de simulação através de
algumas equações.
5.1.1. Fundamentos de dinâmica veicular
A simulação da dinâmica longitudinal é frequentemente usada para
comparar a importância das características de equilíbrio de energia para veículos que
fazem uso de conceitos de propulsão diferentes sem a necessidade de construir
protótipos que requerem tempo e de alto custo.
As equações físicas básicas do movimento longitudinal do veículo são
fundamentais para entender as relações causa-efeito entre o motorista, veículo e solo.
Algumas variáveis de entrada são:
� Ciclo de tráfego
� Especificações do veículo (por exemplo, resistência de rolamento,
resistência do ar, peso)
� Especificações de componentes individuais (por exemplo,
características de perda de desempenho da caixa de câmbio)
A análise dos resultados de simulação é usada para verificar se as
especificações do projeto foram satisfeitas; por exemplo:
� Dirigibilidade
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
52
� Velocidade máxima
� Aceleração de 0 a 100 Km/h
� Dados de consumo e emissões de poluentes
Para este estudo e as simulações apresentadas no Capítulo 6, serão levados
em consideração as relações físicas fundamentais, especificações técnicas e mapas de
consumo de combustível obtidos em modo de operação estacionário, ou seja, em
testes de componentes realizados em laboratório. Os mapas de consumo do motor,
que estaremos simulando, são confidencias, e portanto neste trabalho vamos utilizar
os mesmos mapas apresentados no programa ADVISOR [71].
5.1.2. Forças de resistência
A energia requerida para o movimento de um veículo é função das suas
velocidades e acelerações, e das forças de resistência que devem ser vencidas,
podendo ser divididas em três subgrupos [79]:
� Resistência ao rolamento
� Resistência aerodinâmica
� Forças devido a inclinação da pista
� Resistência das forças de inércia
5.1.2.1. Resistência ao rolamento
Para cálculo das resistências ao rolamento, foram utilizadas as seguintes
Equações 5.1 e 5.2, apresentadas em [78]:
θcos.P.fRr = Equação 5.1
onde P cos(�) é força normal à superfície de rolamento, e f é o coeficiente
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
53
de resistência ao rolamento, que depende de uma série de fatores como o tipo de
solo, a pressão interna dos pneus, temperatura, carga radial dos pneus [80] e pode ser
calculado através da Equação 5.2 [80]:
5,2so )100/v.(f.24,3ff += Equação 5.2
onde v é a velocidade do veículo e os coeficientes fo e fs são determinados a
partir do Figura 5.1 [80]:
Figura 5.1 – Coeficientes fo e fs em função da pressão interna dos pneus.
5.1.2.2. Resistência aerodinâmica
Quando um corpo se move, uma força resistente causada pelo ar age no
sentido contrário. Esta força é função da velocidade relativa do veículo frente à
velocidade do ar [80], dada pela Equação 5.3:
2vaa )VV.(A.C..
21
R −= ρ Equação 5.3
onde � é a densidade do ar, Ca é o coeficiente admensional de resistência do
ar, A é a área, v é a velocidade do veículo e vv é a velocidade do vento. Segundo
Gillespie [80], o valor de Ca pode ser obtido experimentalmente (recomendado),
através de alguns valores pré-definidos de acordo com a geometria do veículo.
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
54
5.1.2.3. Resistência devido a inclinação da pista
É a força resultante no veículo devido à inclinação da pista, é modelada pela
Equação 5.4:
)(sen.g.mR θθ = Equação 5.4
5.1.2.4. Resistência das forças de inércia
Um movimento de translação do veículo implica num movimento da
rotação do sistema de transmissão de torque as rodas. Detalhes na obtenção desta
resistência são apresentados por Madureira e Gillespie [78] [80], neste trabalho
estaremos desconsiderando o efeito desta resistência.
Para efeito de simulação, estaremos considerando a eficiência do sistema de
transmissão mostrado na Tabela 5.2 [79] [61].
Marcha Relação Marcha Diferencial Pneus Raio Dinâmico [m] Rendimento da transmissão ¹
1 3.87 4.54 265/R13 0.262 0.7 2 2.04 0.88 3 1.41 0.97 4 1.11 0.96 5 0.88 0.97
Tabela 5.1 – Dados da transmissão e pneu usado no veículo.
¹ Uma vez que este dado é confidencial, estamos considerando valores estimados e usados
em transmissões similares do ADVISOR [56].
5.1.3. Força Trativa
Tanto para os veículos convencionais, como para os elétricos ou híbridos, as
equações básicas do movimento são estabelecidas de acordo com segunda lei de
Newton, assim baseado nas Equações 5.1 a 5.4, obtem-se uma relação da força
trativa e das forças de resistência pela aceleração do veículo, Equação 5.5 [58] [80]:
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
55
]RRRFt.[m1
vv.mRFt ar θ−−−=⇔=−••
� Equação 5.5
onde m é a massa, e Ft é a Força trativa, �R representa o somatória das
resistências discutidas no item 5.1.2.
É importante salientar novamente que na Equação 5.5 não estamos
considerando as forças de inércia. A Figura 5.2 mostra as forças de resistência que
precisam ser vencidas pelo sistema de propulsão:
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 20 40 60 80 100 120 140
Velocidades (m/s)
Forç
as d
e re
sist
ênci
a (N
)
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Aclives (%)
Figura 5.2 – Resistência ao movimento x Velocidade.
A velocidade final do veículo em cada marcha foi obtida através da Equação
5.6, desenvolvida a seguir:
rpmr..2i.v.60
n
r.n..602
vr.v
inni
m
rr
mr
mr
π
πω
ωω
=
=→=
=⇔=
Equação 5.6
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
56
onde nr é a rotação das rodas, nm é a rotação do motor, i é a relação de
transmissão e r é o raio dos pneus. A Figura 5.3 mostra a rotação do motor que é
requerida para obter as velocidades do veículo para cada marcha.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Rot
ação
do
Mot
or [r
pm]
Velocidade [m/s]
Marcha #1Marcha #2
Marcha #3
Marcha #4 Marcha #5
Figura 5.3 – Rotação do motor x Velocidade em cada marcha.
A força trativa é a soma de todas as forças de resistência [8]. Para manter a
velocidade constante, a força trativa deve ser igual às forças resistentes, que para o
MCI escolhido produz os resultados ilustrados na Figura 5.4:
CAPÍTULO 5 – DINÂMICA VEICULAR
57
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Velocidades [m/s]
Forç
a T
rativ
a [N
] Marcha 1
Marcha 2
Marcha 3
Marcha 4
Marcha 5
Figura 5.4 – Força trativa para velocidade constante.
A Figura 5.5 mostra as acelerações em cada marcha sobre pavimento plano
e horizontal:
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00
Velocidades (m/s)
Ace
lera
ções
(m/s
2)
1a. Marcha
2a. Marcha
3a. Marcha
4a. Marcha
5a. Marcha
Figura 5.5 – Acelerações para aclive da pista de 0%.
CAPÍTULO 6
PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
6.1 Considerações
Quando falamos de novas tecnologias, é necessário ter em mente as
implicações de custo para os consumidores e as exigências de desempenho que eles
esperam. O consumidor em muitos casos só vai aceitar pagar mais por um produto
que possui uma nova tecnologia se existirem outras vantagens que compensem o
aumento do custo ou a perda de desempenho.
Nos paises em desenvolvimento, o mercado automobilístico é bastante
competitivo, com baixa lucratividade e altas taxas de impostos, e em geral o maior
volume é constituído pelos carros populares. Normalmente quando falamos dos
VEHs, automaticamente imaginamos veículos de grande valor agregado e com pouca
possibilidade de vendas nestes mercados devido aos custos e ao baixo volume.
Assim, quando falamos dos VEHs, é fundamental ter em mente os possíveis
ganhos que esta tecnologia pode trazer de vantagem para o consumidor, e a redução
do consumo de combustível está entre as principais características desejadas.
6.2 Clico de tráfego
Para avaliar a redução do consumo de combustível, é necessário definir um
ciclo de tráfego e sua influência no consumo e nas emissões.
O ciclo de tráfego possibilita avaliar e testar os diferentes modos de
operação veicular (velocidade x tempo) e quais os seus efeitos sobre a economia de
combustível e sobre os níveis de emissões. Entre os vários ciclos de testes, podemos
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
59
citar alguns importantes e mais comumente usados [8]:
� UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule): Ciclo urbano de
velocidade média de 31,5 km/h, de 1369 segundos, cobrindo uma
distância de 12 km, e velocidade máxima de 91,2 km/h, conforme
mostra a Figura 6.1.
� HWFET (Highway Fuel Economy Test): Ciclo de velocidade
média de 77,6 km/h, de 765 segundos, simulando uma distância de
16,5 km, e velocidade máxima de 96,4 km/h, conforme mostra a
Figura 6.2.
� NEDC (New European Driving Cycle): Novo ciclo Europeu de
velocidade média de 18,3 km/h, de 195 segundos simulando uma
distância de 1 km, e velocidade máxima de 50 km/h. Possui
maiores períodos de aceleração e velocidade constantes, conforme
mostra a Figura 6.3.
Figura.6.1 – Urban Dynamometer Driving Schedule.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
60
Figura 6.2 – Highway Fuel Economy Test.
Figura 6.3 – New European Driving Cycle.
Para o Brasil, o procedimento adotado pelo PROCONVE [81] foi baseado
na norma americana FTP-75 (Federal Test Procedure), que vamos usar durante as
simulações. Detalhes deste ciclo são mostrados na Figura 6.4. Vale ressaltar que a
economia de combustível e os níveis de emissões são sensíveis aos diferentes tipos
de ciclos de tráfego [64].
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
61
Figura 6.4 – Federal Test Procedure.
6.3 Programa de simulação
Atualmente, o programa ADVISOR possibilita executar simulações em
veículos convencionais, elétricos e híbridos [62].
Basicamente, este programa funciona em três etapas: entrada de dados,
seleção do ciclo e testes desejados e finalmente os resultados.
6.3.1. Janela de entrada de dados
Na janela mostrada na Figura 6.5, selecionam-se as variáveis de controle e
as características do veículo a ser testado. Exemplo: veículo, motor, bateria e tipo de
configuração (convencional, paralela ou série).
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
62
Figura 6.5 – Janela de entrada de dados do ADVISOR.
A Figura 6.5 mostra como editar ou selecionar os dados de entrada:
Figura 6.6 – Janela de entrada de dados do ADVISOR.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
63
6.3.2. Janela de seleção do ciclo e testes desejados
Na janela mostrada na Figura 6.7, seleciona-se o ciclo de tráfego e quais são
os tipos de testes desejados durante a simulação, incluindo parâmetros de pista
inclinada. Também nesta etapa é possível selecionar os tipos de resultados que são
desejados, conforme exemplo mostrado pela Figura 6.8.
Algo bastante importante é a possibilidade de selecionar uma seqüência
diferente de ciclos de testes, permitindo assim aproximar ao máximo da situação real.
Figura 6.7 – Janela intermediária do ADVISOR – Seleção da simulação.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
64
Figura 6.8 – Janela de seleção dos testes e resultados desejados.
6.3.3. Janela com resultados da simulação
Na janela da Figura 6.9, são apresentados os resultados da simulação. É importante
ressaltar que vários parâmetros são simulados e que nesta tela é possível escolher
cada um destes parâmetros para saber qual foi o comportamento durante o teste. Por
exemplo, na Figura 6.9 os seguintes parâmetros foram selecionados:
� Km/h: Velocidade durante o teste.
� veh_force_a: Força alcançada pelo veículo.
� emissions: Emissões de HC, CO, NOx, PM.
� fc_ex_gas_flow: Fluxo de gás de escape.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
65
Figura 6.9 – Janela de resultados.
6.4 Edição dos parâmetros de entrada
A entrada de dados pode ser feita através da seleção e edição das variáveis
e/ou da edição dos arquivos dos Matlab®. Neste trabalho, ambos os métodos foram
usados, partindo de alguns componentes já desenvolvidos dentro do pacote do
ADVISOR.
No Apêndice B estão os parâmetros do ADVISOR que foram editados e que
serão comuns nas simulações apresentadas nos itens 6.5, 6.6 e 6.7.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
66
6.5 Simulação de um veículo convencional
A Figura 6.10 mostra os dados de entrada para simulação de um veículo
convencional. Este veículo possui um motor 1.0L, mostrado na Figura 6.10, que vem
sendo usado em algumas aplicações Ford.
Figura 6.10 – Motor Zetec Rocam 1.0L.
Os motores Zetec Rocam caracterizam-se por sua durabilidade e
performance. A grande vedete deste motor é o comando de válvulas, com
acionamento suportado por rolamentos, reduzindo profundamente o atrito no mesmo.
Algumas características específicas deste MCI são de propriedade da Ford, por
exemplo, o mapa de combustível. As informações necessárias para a simulação estão
disponíveis em [79] [61]. No capitulo 5 estas características foram usadas para
determinar da força trativa, velocidade e aceleração, e também serão usadas neste
capitulo para simular o veículo convencional, VEH série e VEH paralelo.
� Combustível: gasolina
� Potência líquida máxima: - 65 cv @ 5.750 rpm
� Torque líquido máximo – 85 N.m @ 2.750 rpm
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
67
Os itens marcados em vermelho são os arquivos Matlab® que foram
alterados conforme as características do motor 1.0L Zetec Rocam, detalhes sobre
alguns parâmetros que foram alterados são mostrados no Apêndice B.
Figura 6.11 – Dados de entrada veículo convencional com motor 1.0L.
Escolhe-se o procedimento de teste a ser usado, neste trabalho será usado o
FTP-75 (Federal Test Procedure). Os resultados mostrados na Figura 6.12, indicam
uma boa economia e um ótimo desempenho:
Alteração Características da
transmissão
Alteração das características do veículo (massa,
coeficiente aerodinâmico). Alteração das curvas de potência e torque (Zetec
Rocam)
Alteração características dos
pneus
Veículo convencional
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
68
Figura 6.12 – Resultados Veículo Convencional 46 KW.
O ADVISOR permite selecionar quais resultados deseja graficamente. Para
o MCI foram selecionados:
� Km/h: Velocidade durante o teste.
� fc_trq_out_a: Torque atingido pelo motor.
� emissions: Emissões de HC, CO, NOx, PM.
� fc_ex_gas_flow: Fluxo de gás de escape
Também é possível saber onde estão as maiores perdas de energia durante o
teste, conforme mostram as Figuras 6.13 e 6.14. Isto vai possibilitar aos projetistas
Resultados do consumo de combustível, emissões de HC, CO, NOx, PM, e
desempenho do veículo.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
69
entender onde estão as maiores perdas de maneira que seja possível buscar
alternativas de otimização. Para este veículo convencional com MCI de 26 KW, a
eficiência do MCI foi de 22%, indicando que o MCI é o sistema que apresenta maior
perda conforme mostram as Figura 6.13 e 6.14.
Figura 6.13 – Fluxo de energia Veículo Convencional.
Figura 6.14 – Perda de energia durante os testes Veículo Convencional.
Também foi possível simular a eficiência durante todo o ciclo de teste para
cada componente. A Figura 6.15 mostra o resultado do sistema de conversão de
combustível do MCI. É possível observar que a dispersão no sistema de conversão de
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
70
combustível é bastante significativa, demonstrando justamente a baixa eficiência
energética destes tipos de sistema. É importante salientar que a dispersão também
pode estar ligada a não representatividade do mapa de combustível do MCI, que não
pôde ser usado devido os aspectos confidenciais.
Figura 6.15 – Eficiência do conversor de combustível Veículo Convencional.
6.6 Resultados obtidos para um VEH paralelo
Transformando o veículo convencional em um veículo híbrido paralelo,
mantendo as características do MCI usadas no teste anterior, e adicionando os demais
componentes do sistema híbrido, temos os dados de entrada da Figura 6.16.
Para esta simulação, o motor elétrico escolhido é o MIM de 73,5 KW que
foi estudado no capítulo 4. Também conforme mencionado no capítulo 3, entre todas
as baterias, a tecnologia NiMH tem grande destaque, assim estaremos usando uma
bateria deste tipo de 275 [V], controlando o SOC de maneira que permaneça entre
50% e 90%.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
71
Figura 6.16 – Dados de entrada VEH Paralelo com motor 1.0L.
Houve um acréscimo no peso do veículo, principalmente devido aos novos
componentes que foram agregados (a bateria e o motor elétrico), no veículo
convencional o peso era 917 kg, no VEH paralelo passou para 1068 kg.
Para efeito de teste, foi assumido que no início o SOC da bateria fosse de
90%, conforme exemplo mostrado pela Figura 6.17.
VEH Paralelo
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
72
Figura 6.17 – Condições de testes e resultados desejados VEH Paralelo.
Os valores obtidos para o VEH paralelo são mostrados a seguir na Figura
6.18:
Figura 6.18 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW.
Controle de SOC, iniciando em 90%.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
73
Figura 6.19 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW.
A Figura 6.19 mostra o comportamento dos seguintes parâmetros:
� Km/h: Velocidade durante o teste.
� Es_soc_hist: Histórico do estado de carga.
� emissions: Emissões de HC, CO, NOx, PM.
� fc_ex_rate: Indica o combustível usado em gramas/seg.
Também é possível saber onde estão as maiores perdas de energia durante o
teste, conforme mostra a Figura 6.20. A eficiência do sistema de conversão de
combustível melhorou com relação ao veículo convencional, 30%.
O SOC permaneceu dentro dos limites especificados 50%<SOC<90%
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
74
Figura 6.20 – Fluxo de energia VEH Paralelo.
Da mesma forma, a Figura 6.21 mostra a eficiência do sistema de conversão
de combustível. Apesar de melhorar a eficiência ter sido melhor, é possível verificar
que o sistema continua disperso.
Figura 6.21 – Eficiência do conversor de combustível VEH Paralelo.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
75
Da mesma forma, as Figuras 6.22 e 6.23 mostram respectivamente a
eficiência a eficiência da bateria durante a carga e a descarga, ou seja, o sistema foi
bem dimensionado e o SOC está se mantendo dentro dos limites, conforme
verificado na Figura 6.19.
Figura 6.22 – Eficiência da bateria durante carga VEH Paralelo.
Figura 6.23 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Paralelo.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
76
É importante verificar que estamos usando o mesmo MCI de 46 KW do
veículo convencional, porém conforme mostrado na Figura 6.18, tanto a economia
do combustível, as emissões e o desempenho do VEH melhoraram quando
comparados com os resultados obtidos para o veículo convencional.
Algo que também precisa ser considerado é que para minimizar os custos
dos VEHs, a potência do motor a combustão poderia ser reduzida. A Figura 6.24
mostra os resultados obtidos a partir da redução do MCI de 46 KW para 30 KW.
Observamos na Figura 6.24, que a economia do combustível as emissões do
VEH melhoram ainda mais, ocorrendo apenas uma queda de desempenho, porém,
ainda melhor que o desempenho do veículo convencional.
Figura 6.24 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 30 KW.
6.7 Resultados obtidos para um VEH série
Neste trabalho, tanto o VEH paralelo quanto o série, o índice de
hibridização é de domínio do ME. Ou seja, em ambos os VEHs o DOH (Grau de
hibridização) = 0,62.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
77
Lembrando que o sistema de transmissão não existe nas configurações série,
além do que é necessário ter um gerador para carregar a bateria [7] [8].
Figura 6.25 – Dados de entrada VEH Série com motor 1.0L de 46 KW.
Os resultados são mostrados a seguir na Figura 6.26:
Figura 6.26 – Resultados de teste VEH Série com MCI de 46 KW.
VEH Serie
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
78
Figura 6.27 – Resultados de teste VEH Paralelo com MCI de 46 KW.
A Figura 6.27 mostra o comportamento dos seguintes parâmetros:
� Km/h: Velocidade durante o teste.
� Es_soc_hist: Histórico do estado de carga.
� emissions: Emissões de HC, CO, NOx, PM.
� fc_ex_rate: Indica o combustível usado em gramas/seg.
Também é possível saber onde estão as maiores perdas de energia durante o
teste, conforme mostra a Figura 6.28. A eficiência do sistema de conversão de
combustível melhorou com relação ao veículo convencional, 35%. Também pela
Figura 6.27 verifica-se que a taxa de combustível usada diminui na configuração
série.
A eficiência total do sistema de conversão de combustível foi de 35%,
conforme mostra a Figura 6.28.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
79
Figura 6.28 – Fluxo de energia VEH Série..
As Figuras 6.29, 6.30 e 6.31 mostram respectivamente a eficiência do
sistema de conversão de combustível, a eficiência da bateria durante a carga e a
descarga para a configuração série.
É possível constatar que uma vez que a taxa de consumo de combustível é
menor na configuração série, a eficiência do conversor foi melhor que todas as
demais configurações.
Figura 6.29 – Eficiência do conversor de combustível VEH Série.
CAPÍTULO 6 – PARAMETRIZAÇÃO E SIMULAÇÃO
80
Figura 6.30 – Eficiência da bateria durante carga VEH Série.
Figura 6.31 – Eficiência da bateria durante descarga VEH Série.
CAPÍTULO 7
CONCLUSÃO
7.1 Análise dos resultados
A tabela 7.1 mostra os resultados obtidos nas simulações:
Característica Convencional
VEH Paralelo
VEH Série
Motor de combustão 46 KW 46 KW 46 KW Motor elétrico (256 V) - 73,5 KW 85 KW Bateria - 275 V 308 V Peso 917 1068 1059 Eficiência conversor de combustível
22.2 % 30,0 % 35.0 %
Eficiência bateria - 94,0 % 72.0 % 0-100 km/h 11.5 seg 11.2 seg 18.7 seg Consumo (L/100 km) 4.5 3.9 5.7 Emissões - HC 0.737 g/km 0.690 g/km 0.376 g/km Emissões - CO 0.785 g/km 0.758 g/km 0.676 g/km Emissões - NOx 0.132 g/km 0.140 g/km 0.225 g/km Vel. Máxima (km/h) 142.4 191.8 140.7
Tabela 7.1 – Tabela com resultados comparativos MCI 46KW.
É possível verificar que o sistema de conversão de combustível dos motores
de combustão interna é pouco eficiente.
Na configuração série a eficiência do MCI foi maior, pois o mesmo trabalha
dentro do ponto "ótimo" de operação, onde é maior a eficiência e menor a emissão de
gases poluentes conforme mostra a Tabela 7.1. Outro ponto importante diz respeito a
eficiência da bateria, verificar que a mesma foi baixa na configuração série,
requerendo assim que a capacidade e potência sejam aumentadas, e conforme
discutido no capítulo 3 isto implica em aumentar o tamanho e peso da bateria, que é
um inconveniente devido as dificuldades de posicionamento e espaço no veículo.
CAPÍTULO 7 – ANÁLISE DOS RESULTADOS
82
A maior eficiência total do sistema foi obtida na configuração paralela, pois
tanto a bateria quanto o MCI foram bem dimensionados, e foi nesta configuração que
o veículo apresentou melhor desempenho. Em função disso, foi proposto diminuir a
potência do MCI, permitindo assim reduzir o peso e custo do MCI, a seguir a Tabela
7.2 mostra os resultados obtidos, que mostram que apesar da redução do
desempenho, houve uma melhora significativa com relação as emissões e consumo
de combustível que para o consumidor também é bastante importante.
Característica VEH Paralelo (MCI 30KW)
0-100 km/h 14 seg Consumo (L/100 km) 3.5 Emissões - HC 0.446 g/km Emissões - CO 0.554 g/km Emissões - NOx 0.126 g/km Vel. Máxima (km/h) 158.5
Tabela 7.2 – Tabela com resultados comparativos MCI 30KW.
7.2 Conclusão e recomendações
O uso contínuo dos combustíveis fósseis representa grave ameaça ao meio
ambiente, e mundo inteiro esta ciente da importância de buscar alternativas para as
grandes quantidades de gases poluentes emitidas pelos veículos.
No Brasil o uso de combustíveis renováveis vem crescendo rapidamente,
exemplo o álcool. É necessário no entanto, continuar estudando outras tecnologias de
menor impacto ao meior ambiente.
O presente trabalho destinou-se a esclarecer as possibilidades dos VEHs,
revelando-se de suma importância na compreensão do comportamento dos principais
componentes dos VEHs, as baterias e os motores elétricos, assim como as possíveis
arquiteturas que vêm sendo desenvolvidos mundialmente.
CAPÍTULO 7 – ANÁLISE DOS RESULTADOS
83
Em se tratando da obtenção de modelos matemáticos, comprovou-se a
dificuldade na aquisição de parâmetros que representassem o comportamento
dinâmico e em regime permanente das baterias, deixando claro que vários estudos
ainda vem sendo realizados nesta área e que as bibliografias pesquisadas apresentam
modelos bem próximos da realidade, inclusive adaptados as programa ADVISOR
versão 3.2.
Em suma, verificou-se que houve uma diminuição representativa das
emissões nos VEHs, e em especial no configuração paralela houve uma grande queda
no consumo de combustível.
Também foi possível conhecer a potêncialidade do programa ADVISOR na
simulação de diferentes configurações.
Como continuidade deste trabalho, sugere-se a inclusão dos veículos
elétricos híbridos com células à combustível, e uma discussão mais detalhada sobre
os sistemas conhecidos como ISG (Integrated Starter Generator), como uma solução
possível e mais próxima da realidade brasileira.
LISTA DE REFERÊNCIAS
[1] Knowledge of Hybrid-Electric Vehicles Continues to Grow.
FreedomCAR & Vehicle Technologies Program, EERE. Fact #324, Jun. 2004.
http://www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/index.shtml. Acesso em 16 de Jan. de
2005.
[2] JUNIOR, A. N. Apresentação sobre Veículos Elétricos Híbridos.
Fórum do Veículo Elétrico Híbrido do INEE, p.24. Bauru, São Paulo. Nov. 2003.
[3] HOLLANDA, J. B.; JUNIOR, A. N. Veículos Elétricos Híbridos, uma
introdução. Fórum do Veículo Elétrico Híbrido do INEE, v.1, p.12. Dez. 2003.
[4] CHAN, C. C. An overview of electric vehicle technology. Proceedings
of the IEEE, vol. 81, No. 9, pp. 1202-1213. Set. 1993.
[5] CHAN, C. C.; CHAU, K. T. An overview of power electronics in
electric vehicles. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol.44, No. 1, pp. 3-
13. Fev. 1997.
[6] EMADI A.; FAHIMI, B.; EHSANI, M.; MILLER J. M. On the
suitability of low-voltage (42 V) electrical power system for traction applications in
the parallel hybrid electric vehicles. SAE 2000 Congress, Detroit, USA. SAE
Technical Paper Series No. 2000-01-1558, p.7. Mar. 2000.
[7] EHSANI, M.; RAHMAN, K. M.; TOLIYAT, H. A. Propulsion system
design of electric and hybrid vehicles. IEEE Transactions on Industrial Electronics.
Vol. 44, No. 1, pp. 19-27. Fev. 1997.
[8] LARMINIE, J.; LOWRY J. Electric Vehicle Technology Explained.
John Wiley & Sons, Ltd. 2003. ISBN 0-470-85163-5.
85
[9] WALLMARK, O. On Control of Permanent-Magnet Synchronous
Motors in HEV Applications. Thesis for degree of licentiate of engineering. Dep. of
Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology. Göteborg, Sweden,
p.127. Fev. 2004. ISSN 1651-4998.
[10] STRÖMBERG, E. Optimal control of hybrid electrical vehicles.
Master's thesis LiTH-ISY-EX-3394. Dep. of Electrical Engineering, Linköpings
universitet. Linköping, Sweden, p.56. Ago. 2003.
[11] “SAE J1711 - Recommended Practice for Measuring the
Exhaust Emissions and Fuel Economy of Hybrid-Electric Vehicle”. Society of
Automotive Engineers, P.69. Mar. 1999.
[12] NAM, E. K. Fuel Consumption Modeling of Hybrid Vehicles in
PERE. SAE 2005 Congress, SAE Technical Paper Series No. 2005-01-0627, p.20.
Abr. 2005.
[13] ESTEVES, J.; MAIA, J. Porquê Veículos Elétricos. APVE -
Associação Portuguesa do Veículo Elétrico. Disponível em: www.apve.pt. Acesso
em Nov. 2004.
[14] HEYWOOD, J. B. Internal combustion engine fundamentals,
McGraw-Hill int. Editions, Automotive Technical Series. McGraw-Hill, 1992. ISBN
0-07-100499-8.
[15] STRANDH, R.; EGNELL, R. Modeling SI-engines for hybrid
vehicles. SAE 2001 Congress, Detroit, USA. SAE Technical Paper Series No. 2001-
01-0575, p.9. Abr. 2001.
[16] MILLER, J. M. Power Electronics in Hybrid Electric Vehicle
Applications. IEEE 0-7803-7768-0/03, pp. 23-29. Mar. 2003.
86
[17] BUTLER, K. L.; EHASANI, M.; KAMATH, P. A Matlab-Based
Modeling and Simulation Package for Electric and Hybrid Electric Vehicle Design.
IEEE Transactions on Vehicular Technology. Vol.48, No. 6, pp. 1770-1778. Nov.
1999.
[18] PHILIPS, A. M.; JANKOVIC, M.; BAILEY, K. E. Vehicle System
Controller Design for a Hybrid Electric Vehicle. Proceedings of the IEEE, IEEE 0-
7803-6562-3/00, pp. 297-302. Set. 2000.
[19] PISCHINGER, S.; KEMPER, H.; LANG, O. System Comparison of
Hybrid and Fuel Cell Systems to Internal Combustion Engines. SAE 2002 Congress,
Detroit, USA. SAE Technical Paper Series No. 2002-21-0070, p.10. Oct. 2002.
[20] WOLLENBERG, J. Hybrid Cars: Insight 2002 Case Study.
Sustainable Design in Engineering, p.2. April. 2002.
[21] MILHOR, C. E. Sistema de Desenvolvimento para Controle
Eletrônico dos Motores de Combustão Interna Ciclo OTTO. Tese de Mestrado em
Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos, USP. São Carlos, São
Paulo, Brasil, p.72. 2002.
[22] FERRAZ, C. V. Sistemas Controlados de Propulsão de Veículos
Automotores. Tese de Mestrado em Engenharia Mecânica, Escola Politécnica da
USP - Universidade de São Paulo. São Paulo, São Paulo, Brasil, p.139. 2004.
[23] BOSCH, R. GmbH. Automotive Handbook. Distribution: SAE
Society of Automotive Enginners. 5.ed. Warrendale, PA, USA. ISBN 0-7680-0669,
2000.
[24] http://www2.uol.com.br/bestcars/testes/ka-1.htm. Acesso em
12 de Mar. de 2005.
87
[25] Hybrid Electric Vehicles. FreedomCAR & Vehicle
Technologies Program, EERE. Learn About Hybrid Electric Vehicles.
http://www.eere.energy.gov/vehiclesandfuels/technologies/fcvt_hevs.shtml Acesso
em 16 de Fev. de 2005.
[26] KELLY, K. J; RAJAGOPALAN, A. Benchmarking of OEM Hybrid
Electric Vehicles at NREL. Milestone Report, National Renewable Energy
Laboratory. Golden, Colorado, USA. NREL/TP-540-31086, p.102. Ago. 2001.
[27] JOHANNA, W. Modeling of Components for Conventional Car and
Hybrid Electric Vehicle in Modelica. Master's thesis LiTH-ISY-EX-3489-2004. Dep.
of Electrical Engineering, Linköpings universitet. Sweden, P.77. Maio 2004.
[28] HE, X.; HODGSON, J. W. Modeling and simulation for hybrid
electric vehicle - Part I: Modeling. IEEE Transactions on Intelligent Transportation
Systems, Vol.03, IEEE 1524-9050/02, pp. 235-243. Dez. 2002.
[29] HE, X.; HODGSON, J. W. Modeling and simulation for hybrid
electric vehicle - Part II: Modeling. IEEE Transactions on Intelligent Transportation
Systems, Vol.03, IEEE 1524-9050/02, pp. 244-251. Dez. 2002.
[30] KIM, Y. H.; Ha, H. D. Design of interface circuits with electrical
battery models. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 44, No. 1, pp. 81-
86. Fev. 1997.
[31] CHAN, H. L.; SUTANTO, D. A new battery model for use with
battery energy storage systems and electric vehicles power systems. IEEE Power
Engineering Society Winter Meeting, Singapore, Vol. 1, pp. 470-475. Jan. 2000.
88
[32] WALL, E. J.; DUONG, T. Q. Progress Report for Energy Storage
Research and Development. U.S. Department of Energy FreedomCAR and Vehicle
Technologies Program. Washington DC, p.131. Jan. 2005.
[33] MAGGETTO, G.; MIERLO, J. V. Electric and Electric Hybrid
Vehicle Technology: A Survey. Vrije Universiteit Brussel. Publicado por IEE –
Institution of Electrical Engineers. London WC2R, UK, p.11. 2000.
[34] TATE, E. D; BOYD, S. P. Findings Ultimate Limits of Performance
for Hybrid Electric Vehicles. 2000 Future Transportation Tech. Conference, Costa
Mesa, USA. SAE Technical Paper Series No. 2000-01-3099, p14. Ago. 2000.
[35] HEV Battery Types and Characteristics by Thermo Analytics
Inc. http://www.thermoanalytics.com. Acesso em 14 de Fev. de 2005.
[36] LUKIC, S. M.; KHATEEB, S. A.; AL-HALLAJ, S.; SELMAN, J. R.;
EMADI, A. On the Suitability of a New High-Power Lithium Ion Battery for Hybrid
Electric Vehicle Applications. SAE International. SAE 03FTT-30, p.5. 2003.
[37] IMAI, S.; TAKEDA, N.; HORII, Y. Total Efficiency of a Hybrid
Electric Vehicle. IEEE 0-7803-3823-5/97, pp. 947-950. 1997.
[38] EDWARDS, D.; RICHARDS, J. A High Performance Auxiliary
Power Unit for a Series Hybrid Electric Vehicle. Office of University Research and
Education US Dep. of Transportation. University of Idaho, US, p.50. Nov. 2000.
[39] MARKEL, T.; WIPKE, K. Modeling Grid-Connected Hybrid Electric
Vehicles Using ADVISOR. IEEE 0-7803-6545-3/01, pp. 23-29. 2001.
[40] STRANDH, R. Combustion Engine Models for Hybrid Vehicle
System Development. Department of Heat and Power Engineering. Lund Institute of
Technology, Lund University. Lund, Sweden, p.103. 2002.
89
[41] HUSAIN, I.; ISLAM, M. S. Design, Modeling and Simulation of an
Electric Vehicle System. SAE 1999 Congress, SAE Technical Paper Series No.
1999-01-1149, p.9. Mar. 1999.
[42] WANG, X. A Modular Battery Management System. The University
of Toledo, UMI number: 3004523, p.95. Maio 2001.
[43] ALMEIDA, A. T. L. Apostila de Geradores e Motores para
Aplicações Industrias. 3a Ed. UNIFEI, 1994.
[44] TOBIAS, A.; JENS, G. Alternative Energy Storage System for Hybrid
Electric Vehicles. Master Thesis in Electrical Engineering. Dep. of Electric Power
Eng., Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, p.39. Out. 2003.
[45] MALAN, J.; KAMPER, M. J. Performance of a Hybrid Electric
Vehicle Using Reluctance Synchronous Machine Technology. IEEE Transactions on
Industry Applications. Vol.37, No. 5, pp. 1319-1324. Set/Out. 2001.
[46] CHAN, C. C. The state of the art of electric and hybrid vehicles.
Proceedings of the IEEE, vol. 90, No. 2, pp. 247-275, Fev. 2002.
[47] CRESCIMBINI, F.; DI NAPOLI, A.; SOLERO, L.; CARACCHI, F.
Compact Permanent-Magnet Generator for Hybrid Vehicle Applications. IEEE 0-
7803-7883-0/03. pp. 576-583, 2003.
[48] HALL M, E.; BALDA, J. C. Permanent Magnet Synchronous Motor
Drive for HEV Propulsion: Optimum Speed Ratio and Parameter Determination.
IEEE 0-7803-7467-3/02. pp. 1500-1504, 2002.
[49] KATSUHIKO, O. Engenharia de Controle Moderno. Editora Prentice
/ Hall do Brasil Ltda, Rio de Janeiro – RJ, Brasil. ISBN 85-7054-019-1, 1982.
90
[50] TAMAI, E. H. Introdução à teoria de controle. Apostila do curso de
Controle moderno da Universidade de São Paulo, São Paulo – SP, Brasil, v.1.1.
Maio, 2004.
[51] MINICHIELLO, G. Manual de administração de energia. Eletropaulo
Metropolitana de São Paulo S.A. São Paulo – SP, Brasil. Novembro, 2004.
[52] CAD, M. M. Estratégias de Modelagem Dinâmica e Simulação
Computacional do Motor de Indução Trifásico. Tese de Mestrado em Engenharia
Elétrica, Escola de Engenharia de São Carlos, USP. São Carlos, São Paulo, Brasil,
p.72. 2002.
[53] EL HINAOUI-HAMZE, H. An Interactive Traction Motors Design
and Selection Software. Thesis for degree of licentiate of engineering. Dep. of
Energy and Environment, Power Engineering, Chalmers University of Technology.
SE-412 96, Göteborg, Sweden, p.146. 2005.
[54] Apostila “Acionamentos Elétricos”. Centro Federal de Ensino
Tecnológico Celso Suckow da Fonseca – CEFET-RJ, Brasil.
[55] PARSLEY, W. New York City Transit Operating Experience with
Hybrid Transit Buses. SAE / NESEA Hybrid Electric Vehicles in the Bus and Truck
Markets TOPTEC: New Ways of Building Better Heavy Duty Vehicles. Maio, 2000.
[56] ADVISOR Documentation. National Renewable Energy
Laboratory, NREL, Abril, 2002. www.ctts.nrel.gov/analysis
[57] LEIDHOLD, R; GARCIA, G. Variable Speed Field-oriented
Controlled Induction Generator. 33 ª IAS Annual Meeting, IEEE. Vol.1, pp. 540-
546, 1998.
91
[60] GONCLAVES E. “Self-Excited Induction Generator Controlled by a
VS-PWM Bidirectional Converter for Rural Applications”, IEEE Transactions. Vol.
35, No.4, July/Aug 1999. pp 877-883
[61] http://quatrorodas.abril.com.br/. Acesso em 14 de Fev. de 2005
[62] KELLY, J. K. Modeling Tools for Predicting the Impact of Rolling
Resistance on Energy Usage and Fuel Efficiency for Realistic Driving Cycles.
National Renewable Energy Laboratory. International Tire Exhibition and
Conference, - 2002, Paper #31C
[63] Apostila de Eletrotécnica Geral, Capitulo 9 - Motores
Elétricos, DLSR/JCFC - UNESP/FEG/DEE.
[64] FENG, A.; BARTH, M. Critical Issues in Quantifying Hybrid Electric
Vehicle Emissions and Fuel Consumption. Future Transportation Technology.
Conference & Exposition Costa Mesa, CA. Ago. 1998
[65] SIMMONS, T.; BETTS, D.; ROAN, V. A Preliminary Assessment of
the Possible Acceptance of Fuel Cell Bus Technology by Current Fleet Vehicle
Operators. SAE 2002 Congress, Detroit, USA. SAE Technical Paper Series No.
2002-01-3057, p.8. Nov. 2002.
[66] PANAGIOTIDIS, M.; DELAGRAMMATIKA, G.; ASSANIS, D.
Development and Use of a Regenerative Braking Model for a Parallel Hybrid
Electric Vehicle. SAE 2000 Congress, Detroit, USA. SAE Technical Paper Series
No. 2000-01-0995, p.14. Mar. 2000.
[67] BAUMANN, M. B; WASHINGTON, G.; GLEN, B. C.; RIZZONI, G.
Mechatronic Design and Control of Hybrid Electric Vehicles. IEEE/ASME Trans. on
Mechatronics, vol. 5, No. 1, Mar. 2000. pp 58-71. IEEE 1083–4435/00.
92
[68] CLARK, N. N.; CONLEY, J. Optimal hybrid vehicle design using
real world data to determine actual regenerative braking energy recovery.
Mechanical and Aerospace Engineering Department, West Virginia University,
Morgantown, WV, USA, Nov-2002, p18.
[69] PANG, S; FARRELL, J.; DU, J. BARTH, M. Battery State-of-Charge
Estimation. Proceedings of the American Control Conference Arlington, VA Jun-
2001. Electrical Engineering, University of California, Riverside. 0-7803-6495-3/01.
pp. 1644-1649
[70] BASKAR, V. State of charge estimation for batteries. Thesis for
degree of Science. University of Tennessee, Knoxville. p.60. 2002.
[71] SENGER, R. D.; MERKE, A. M.; NELSON, D. J. Validation of
ADVISOR as a Simulation Tool for a Series Hybrid Electric Vehicle. International
Congress and Exposition Detroit, Michigan Fev-1998. Revisado em Mar 11, 1998.
SAE No. 981133.
[72] http://www2.uol.com.br/bestcars/testes/fiesta-2.htm. Acesso
em 14 de Mar. de 2005
[73] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, C.; UMAS, S. D. “Electric
Machinery”, Fifth Edition on SI Units, McGraw-Hill 1992.
[74] BOROJEVIC, D.; LAI, J.; LINDNER, K, D.; Control Design and
Analysis of and advanced induction motor Electric Vehicle drive.
Thesis submitted to the faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State
University Abr-1999. Blacksburg, Virginia.
[75] YEDAMALE, P. Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals.
Microchip Technology Inc. 2003 Microchip Technology Inc. DS00885A p.20.
93
[76] WELHUA, W. Revisions on the Model of Toyota Prius in ADVISOR
3.1. SAE 2002 Congress, Detroit, USA. SAE Technical Paper Series No. 2002-01-
0993, p12. Mar. 2002.
[77] Fonte: www.oficinaecia.com.br. Acesso em 25 de Abr. de
2005.
[78] MADUREIRA, O. M. Dinâmica de Veículos – Apostila do Curso de
PMC 5607 – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – Março de 2004
[79] www.ford.com.br. Acesso em 07 de Abr. de 2005
[80] GILLESPIE, T. D. Fundamentals of Vehicle Dynamics. Copyright ©
1992 Society of Automotive Engineers. ISBN 1-56091-199-9.
[81] CETESB – Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental do
Estado de São Paulo. Programa de controle de poluição do ar por veículos
automotores – PROCONVE. São Paulo, Brasil.
www.cetesb.sp.gov.br/Ar/emissoes/proconve.asp Acessado em 17 de Maio de 2005.
94
APÊNDICES A – MOTOR DE INDUÇÃO MAGNÉTICA
95
B – ALTERAÇÃO DOS PARÂMETROS DO ADVISOR
Recommended