Aula carro2-1

Pós-graduação em Ciência e Engenharia de MateriaisProf. Orestes Alarcon | Doutorando Alexandre Galiotto

Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia mecânica e MateriaisPós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Well to Wheel - W2W

EFICIÊNCIA GLOBAL

Do poço a roda


EFICIÊNCIA GLOBAL

Gaso-duto

Poço ao Tanque Tanque à roda Roda

Poço à Roda (Well to Wheel) Tanque

Distri- buiçãoCom-

pressor (Posto)sor

Compressor

Tanque MotorCaixa d Marcha


100 80 - 85

16 - 18

= SETOR PETRÓLEO x VEÍCULO 0,17

SETOR PETRÓLEO = 0,8 - 0,85

VEÍCULO 0,17

EFICIÊNCIA GLOBAL


POLÍT.TRANS

P.

Geometria,peso,tipo acionamento

motor etc.

CONFRTO,

HÁBITOSη=ƒ( )xƒ´( )

EFICIÊNCIA NOS TRANSPORTES


• Melhoria da eficiência dos motores convencionais (MCI)

• Emprego da tração elétrica

Resistência do ar

Em espera/parado

Perdas no motor

Acessórios

Perdas transmissão

Frenagem

Inércia

Resistência rolamento

EFICIÊNCIA DOS CARROS CONVENCIONAIS


O veículo elétrico (cuja sigla em inglês é EV, de electric vehicle) é um tipo de

veículo que utiliza propulsão por meio de pelo menos um motor elétrico em sua

tração para se transportar ou conduzir pessoas, objetos ou uma carga específica.

Ele é um sistema composto por um sistema primário de energia, uma ou mais

máquinas elétricas e um sistema de acionamento e controle de velocidade ou

torque.

VEÍCULOS ELÉTRICOS – VE'S


• Mais torque• Zero emissões• Tax breaks• Não necessita de transmissão• Partidas mais eficientes

– Pode desligar o motor quando parado

MOTORES ELÉTRICOS


Combustível líquido ou GNV

Ene

rgia

Elé

tric

a

VEB

VEH “Plug-in”

VEH

• Trólebus Rede (durante o trajeto)

• Bateria Rede (carga)

• Híbrido Combustível*

• Híbrido plug-in Rede (carga) +

Combustível*

• Célula a combustível Hidrogênio**

• Solar (teste, competições) Sol * Gasolina, diesel, álcool, gás natural** Hidrogênio ou metano, metanol, ... em reformador

Tipo Fonte de Energia Elétrica

CLASSIFICAÇÃO


• 1839: Primeiro veículo elétrico

• 1886: Táxi na Inglaterra com motor elétrico

• 1890-1910: Significantes melhoras na tecnologia

de baterias(ácido-chumbo, níquel-ferro)

BREVE HISTÓRICO


1898: Dr. Ferdinand Porsche, 23 anos, construiu seu primeiro carro: Lohner Electric Chase (primeiro do mundo com tração dianteira).

Segundo carro: um híbrido com m.c.i. para acionar um gerador que fornecia energia elétrica a motores localizados nos eixos das rodas.

Só na bateria rodava cerca de 40 milhas.

1899: Dois híbridos no Salão de Paris

BREVE HISTÓRICO

http://autoestrada.uol.com.br/interno.cfm?file=conhecimento&id=24

Camille Jenatzy in electric car La Jamais Contente, 1899


1903: Krieger Hybrid: usava motor a gasolina para alimentar um conjunto de baterias

1921: Owen Magnetic Hybrid: usava motor a gasolina para acionar um gerador que

fornecia energia elétrica para motores montados em cada roda traseira.

BREVE HISTÓRICO


BREVE HISTÓRICO

Thomas Edison e um carro elétrico em 1913

1912 Detroit Electric advertisement


• 1970’s: Embargo petróleo árabe; VW Táxi híbrido

• 1979: Carro híbrido construído com motor de cortador de grama.

• 1991: US Advanced Battery Consortium lançou o maior programa para

produzir uma “super” bateria

BREVE HISTÓRICO


• 1997: Toyota Prius disponível no Japão

• 1999: Honda Insight lançado nos EUA (70 mpg)

• 2000: Toyota Prius disponível nos EUA

• 2002: Honda Civic Hybrid lançado.

• 2004: Toyota Prius II e Ford Escape Hybrid lançados.

BREVE HISTÓRICO


Eletricidade

Gasolina

Álcool

Diesel/Biodiesel

GNV

HidrogênioH2

GNV/H2

Célula a combustível

Tanque

COMBUSTÍVEIS PARA VE'S


• VEB - Veículo elétrico a bateria Baterias• VEH - Veículo elétrico híbrido Gerador acionado por m.c.i• VECC - Veículo elétrico de célula a combustível Célula a Combustível

VES combinam•Alta eficiência energética•Baixo nível de ruído•Baixo nível de emissões de poluentes•Conforto•Baixo custo operacional

Tecnologias de VETecnologias de VE

CCaracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordoaracterizadas pela fonte de energia elétrica usada a bordo


VEH – CONFIGURAÇÃO SÉRIE


VEH – CONFIGURAÇÃO PARALELA


Fonte: EPRI Journal – Fall 2005

VEH Plug-inVEH Plug-in

* Electric Power Research Institute (EPRI)

Sprinter Plug-in da Daimler no mercado em 2008

Conversão em “oficinas”


•Fatores motivadores• Questão ambiental (poluição do ar, sonora)• Eficiência no uso de energia

- Estímulos para aquisição

VEs Nenhuma ou muito pouca emissão de gases no local Arrancadas e frenagens mais suaves (mais conforto) Baixo ruído Frenagem regenerativa Motores elétricos eficientes Baterias eficientes Motor de combustão interna menor e funcionando na regiãode maior eficiência ou desligado Não gasta energia quando parado

EVOLUÇÃO


•Fatores inibidores

•Custo de aquisição mais alto (bateria, outros componentes,

baixa escala de produção, tecnologia na infância)

•No caso dos elétricos a bateria, autonomia limitada e

tempo de recarga alto

•Pouca disponibilidade de modelos

•Complexidade

EVOLUÇÃO


2005 2010 2015

Híbrido

Bateria

Célula a combustível

2000

As grandes famílias de veículos elétricos encontram-se em estágios distintos de desenvolvimento

Híbrido plug-In

?

CRONOLOGIA


• Energia e aquecimento global são preocupações centrais de nosso

tempo

• Uso do petróleo é um dos principais problemas que pressionam o

mundo atual

• As conseqüências para o meio ambiente local, regional e global das

emissões do cano de escape clamam por ações urgentes

• As preocupações principais são relacionadas a uma possível crise de

energia quando não houver mais combustível fóssil e, principalmente,

uma muito possível exaustão da capacidade do meio ambiente

absorver a poluição

A eficiência só avança

CONCLUSÕES


• Mercado, política energética ou ambiental?

• Federal, Estadual ou Municipal?

• Nichos: transporte público, individual, frotas?

• Barreiras: econômicas, tecnológicas, culturais e legais?

BRASIL


- Ônibus: alguns modelos em teste no exteriorUm desenvolvimento no Brasil- Empilhadeiras em teste

Vários modelos em teste pelos grandes fabricantes

Há vários modelos em teste.

- Vários modelos no exterior.- Veículos para entregas e serviços urbanosEmpilhadeiras, reboques e paletadeiras

- Vários modelos no exterior usados para usos urbanos. - - Um entrante no Brasil

- Há muitos tipos e fabricantes, alguns no Brasil-Motos com potencial para substituir as convencionais em certos usos-Uma fábrica de motonetas em Manaus-Soluções para ambientes fechados e portadores de necessidades especiais

- Ônibus: alguns fabricantes no exterior e 2 no Brasil-Caminhões em teste no exterior-VEH-P: um ônibus no Brasil

-12 a 15 modelos nos EUA-VEH-P: hoje é um VEH adaptado. Poderá ser uma opção de fábrica no futuro

Não há notícia.

LEV

ÍSS

IMO

SLE

VE

SP

ES

AD

OS

VEHVEB VECaC


•Stop/start (S/S) – Desliga e liga o mci•Economia de combustível* - 7%

•Integrated Starter Alternator With Damping (ISAD) – Opera em 42V e, além do S/S, permite contribuição de alguma potência do sistema de tração elétrica•Economia de combustível* - 11% e 10% a mais no torque

•Integrated Motor Assist (IMA) – Opera 114V, tem motor elétrico e baterias maiores que no ISAD, o que possibilita mais potência auxiliar•Economia de combustível* - 17% e 15% a mais no torque

•Full Hybrid (FH) - Sistemas 300+V com possibilidade de tração exclusivamente elétrica, além de suplementar a potência do mci•Economia de combustível* - 29% e 20% a mais no torque•Para utilitários: economia – 26% e 15% a mais no torque

* Environmental Protection Agency (EPA)

Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários)Uma classificação dos VEHs (automóveis e utilitários)


VEs Plug-ins

Eletricidade

Tanque

Gasolina

Álcool

Diesel/Biodiesel

GNV

Hidrogênio

CilindroGNV/H2

Tanque


•Motores de combustão internaÊnfase passa da potência para eficiência

•Células a combustívelCustoConfiabilidadeVida útilE associado os problemas de produção, armazenamento e distribuição do hidrogênio

•Sistemas de controleCustoConfiabilidade

Tecnologias críticasTecnologias críticas


•Sistemas de abastecimento de energia•Baterias

Melhores relações kWh/kg e kWh/l autonomia 150 - 300 km Custo menor Redução do tempo de carga Vida útil – de 3 /4 anos 8 a15 anos


Fonte: EPRI Journal – Fall 2005

Automóvel a bateria4 a 6 km/kWh

300kg de LI- possibilita a um VEB autonomia de170 a 250 km


• Sistemas de abastecimento de energia•Carga de baterias / Eletropostos

Estratégias para recarga que garantam a saúde das baterias-Mais eficiência (economia)-Sem degradação da performance das baterias-Redução do tempo de recarga (cargas rápidas)

Interface EUA – 1.000 eletropostos e mais de 50.000 VEBs

•Supercapacitores Custo Retenção da energia

Motores elétricos / geradoresJá existem motores bastante eficientes

– ex., engrenagem + motor: 93%Vida útil longa é característica deste componenteProjetos avançados como motores embutidos narodaNecessidade de queda nos custos (escala)



•EUA Califórnia - início anos 90: Proporção crescente de novos carros do tipo Zero Emission Vehicles (ZEV) 1993 - Governo cria Partnership for New Generation of Vehicles (PNGV) – US$ 1 bi - governo cobre metade dos investimentos das montadoras

Meta 80 mpg (34 km/h) sem fixar tecnologia 1998 Neighborhood Electric Vehicles (NEV) autorizados a circular em vias públicas com velocidade limitada a 40 km/h 2003 Projeto Independence – VECaC 2005 – Energy Policy Act – estímulos monetários para aquisição de VEBs, VEHs, VECaC

•Europa França nos anos 90: governo estimulou principais montadoras a lançar VEBs dando subsídios e incentivos fiscais aos compradores e fazendo compras via estatais Taxa para circular no centro das cidades Proibição para circulação de veículos convencionais nos centros históricos ou quando poluição do ar supere certo nível Incentivos à aquisição de veículos menos poluentes

EvoluçãoEvolução


•VEs de célula a combustível•Sem viabilidade econômica no horizonte

(custo do veículo precisa ser dividido por pelo menos 10, investimentos na produção e distribuição do hidrogênio)•Solução VEH CaC Plug-in poderá ser uma intermediária•Veículos pesados devem se viabilizar antes dos leves•Célula a combustível estacionária será comercial antes

Perspectivas no mundo e no BrasilPerspectivas no mundo e no BrasilHorizonte 2015Horizonte 2015


The Batteries Behind It All

• Early Prius and Insight NiMH D Cells– Stick Arrangement

((http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.htmlhttp://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_maru.html))


Prismatic Ni-MH

• 15% pack volume reduction• 25% pack weight reduction• Less battery module per pack number

http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kaku.html


Metal Case Prismatic Ni-MH

• Improvement– 14% less volume– 40% higher cooling

((http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.htmlhttp://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_kinnzoku.html))


ECU

• Electronic Control Unit

• Regulates temperature and state of charge

• Ensures safe and reliable driving http://www.peve.panasonic.co.jp/catalog/e_bms.html


Study: Battery Usage and Thermal Performance of Prius and Insight

• Honda Insight vs. Toyota Prius


Charge, Discharge and SOC

• http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/31306.pdf


Battery Energy and Battery Temperatures


Hybrid Cars TodayTable 1. Light-Duty Hybrid Electric VehiclesOEM Model Body Style Power Type Fuel Date Introduced/Announced Production DateCurrently in Production DaimlerChrysler Ram Pickup Contractor Special Truck Mild Hybrid Diesel Nov-00 2004 (Limited)

Ford Escape SUV Hybrid Gasoline Jan-01 2004 General Motors Silverado/Sierra Truck Mild Hybrid Gasoline Jan-01 2004 (Limited) Honda Accord Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-04 2005 Honda Insight Coupe IMA1 Hybrid Gasoline Dec-99 2000 Honda Civic Sedan IMA1 Hybrid Gasoline Jan-00 2002 Lexus RX400h SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2005 Toyota Prius Sedan Parallel Hybrid Gasoline Jun-00 2000 Toyota Highlander SUV Hybrid Gasoline Jan-04 2005 Suzuki Twin Mini Hybrid Gasoline Nov-02 2003 (Japan) Toyota Estima Minivan Parallel Hybrid Gasoline Jun-01 In Japan Only Toyota Crown Sedan Mild Hybrid Gasoline Aug-01 In Japan Only Toyota Alphard Minivan Hybrid Gasoline Jul-03 In Japan Only Planned for Production Ford Fusion Sedan Full Hybrid Gasoline Apr-03 2006 General Motors Silverado/Sierra & Tahoe/Yukon Truck & SUV Strong Hybrid Gasoline Nov-03 2007

General Motors Equinox SUV Hybrid Gasoline Jan-03 2006 General Motors Malibu Sedan BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2007 General Motors Graphyte SUV Full Hybrid Gasoline Jan-05 2006 Hyundai Click Sedan Hybrid Gasoline Nov-03 2005/06 (Korea) Mercury Mariner SUV Full Hybrid Gasoline Apr-04 2005 (limited)2006 (full) Nissan Altima Sedan Hybrid Gasoline Jun-04 2006 Saturn Vue SUV BAS2 Hybrid Gasoline Jan-03 2006 Toyota Camry Sedan Unknown Gasoline Unknown Unknown Toyota Sienna Minivan Hybrid Gasoline 2003 2007 Recent Concepts - Production Plans Unknown Honda ASM Minivan IMA1 hybrid Gasoline Oct-03 Unknown Ford Focus C-MAX Sedan Hydrogen ICE Hydrogen Jul-04 Unknown Daewoo S3X SUV Unknown Unknown Oct-04 Unknown Opal Astra Sedan Unknown Diesel Jan-04 Unknown Mercury Meta One Unknown Hybrid Diesel Jan-04 Unknown Mercury Milan Unknown Unknown Unknown Jan-04 Unknown

1 Integrated motor assist.2 Belt alternator starter.(Source: Collected by Robb Barnitt and Leslie Eudy, National Renewable Energy Laboratory, from various sources)Table from http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37777.pdf


Future of Hybrid

• Hybrid buses– ~1,000 in use– Seattle– California

• Tax Break Increase


Future of Hybrid Cars

Toyota Volta

3.3 liter V6 gas engine

Toyota Hybrid Sports Toyota Hybrid Sports CarCar

408 horsepower

30 miles per gallon


Definitions

• Combustion vs. Electric (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car1.htm)

• Parallel vs. Series Hybrid (http://auto.howstuffworks.com/hybrid-car2.htm)

– Honda Insight– Toyota Prius

• Full Hybrid• Mild Hybrid

– Stop/Start Hybrid– Integrated Starter Alternator with Damping (ISAD)– Integrated Motor Assist (IMA)

• Plug-in Hybrid

DEFINIÇÕES


Gasoline

• Higher energy density than batteries– 1,000 pounds of batteries = 1 gallon (7

pounds) of gas• Cheaper initial cost for car

– Hybrids are $3500-5000 more• Reliable, more history


Cost Per Mile Electric vs. Gas

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